1973년 천연기념물로 지정되었다.
면적 30,743,940㎡. 펀치볼분지, 대우산·도솔산·대암산과 대암산 정상부에 있는 큰 용늪, 작은 용늪 등의 소택지를 포함하는 지역이다.
이 지역의 주릉(主稜)을 형성하는 봉우리들은 편마암을 기반암으로 하고 있는 점이 향로봉지역과 비슷하나 펀치볼지역의 지질적 조성, 대암산 정상부 일대의 소택(沼澤:늪과 못)형성 등은 우리 나라의 유일한 지형적 특색을 가지고 있다.
펀치볼지대는 지름이 약 10㎞의 분지로서, 분지의 벽과 주변의 타원형 산릉(山稜)들은 편마암이 노출되어 있고 분지의 바닥은 화강암이 깔려 있다. 이것은 화강암이 편마암보다 침식에 대한 저항도가 약해서 선택침식으로 분지를 형성한 까닭이다.
대암산의 서북경사면에 있는 고지습원(高地濕原:높은 지대의 습기가 많은 초원)인 큰 용늪은 양쪽 측면으로부터 흙과 모래가 유입되어 퇴적물이 많이 쌓이게 되어 습원형성을 도왔다고 본다.
이 습원은 배수가 순조롭지 못해서 형성되었다는 점, 전형적인 고층습원에서 볼 수 있는 침엽수림이 아니고 낙엽활엽수림이 형성되었다는 점, 기후가 습원형성에 영향을 주지 못하고 있다는 점 등으로 보아 위고층습원(僞高層濕原:정상적으로 형성되지 않은 고지대의 습원)으로 보아야 할 것이다.
큰 용늪은 1,200∼1,300m의 고지에 있고 미분해상태의 이탄(泥炭:연대가 오래되지 않아서 탄화작용이 충분히 이루어지지 못한 석탄)이 퇴적되어 있어서 지표수(地表水:지상으로 드러나 있는 물)의 수위를 높여 주고 있다.
이곳에 산재하는 소택의 수소이온농도(pH)는 5.8∼7.6이며, 마그네슘과 칼슘의 함량이 높다. 이것은 주변 숲의 부식물질이 분해과정에서 배출되는 것과 이탄 속의 미분해량이 합세한 까닭이다.
큰 용늪의 토양은 pH 4.4∼5.5를 보여주는데 이는 잔해유기물의 분해작용에 따른 것이다. 큰 용늪 주변의 식물상은 5문 5강 49목 63과 163종으로 구성된다. 큰 용늪 내의 우세종은 큰오이풀·삿갓사초이다. 끈끈이주걱·통발 등 식충식물이 물이끼와 함께 특수 군락(群落:집단)을 형성하고 있는 것도 매우 이색적이다.
이 지역 내의 특수한 식물로는 비로용담·금강초롱·장백제비꽃·큰비단분취 등을 들 수 있다. 큰 용늪 내에서 자생하는 식물은 목본(木本)식물이 4과 6종이고 초본(草本:풀·꽃류)식물이 39과 47종이다.
큰 용늪의 이탄 속에 포함된 꽃가루를 분석한 결과, 표면에서 80㎝의 깊이에 걸쳐서 전나무·자작나무·떡갈나무·고사리삼의 순서로 배열되어 있는 것이 밝혀졌다. 또한 희귀 동물들도 많이 서식하여 대암산에서는 검독수리와 산양을 볼 수 있고 큰 용늪에는 도롱뇽과 무당개구리, 줄흰나비가 많이 살고 있다.
두타연에는 열목어·어름치 등 10여 종의 특산어류가 서식하고 있다. 이 지역에는 펀치볼분지와 위고층습원이 있고 기상조건과 동식물상이 이색적이어서 특수한 생태계를 출현시키고 있으므로 잘 보호해야 할 학술자원이라고 할 수 있다.