1993년 천연기념물로 지정되었다. 천제연폭포는 평상시에는 물이 흐르지 않기 때문에 절벽 앞에 깊은 연못이 있을 따름이지만, 장마철에는 높이 22m의 웅장한 폭포로 변하고, 절벽 밑에 고여 있는 연못의 물은 밑으로 흘러 제2, 제3의 폭포가 된다.
계곡의 양쪽 가에는 난대에서 자라는 동백나무·구실잣밤나무·산유자나무·보리밥나무를 비롯한 상록활엽수가 우거지고, 그 밑은 습기가 많기 때문에 더부살이고사리·도깨비고비, 기타 양치류가 무성하다. 숲 가장자리에는 키가 작은 된장풀·사스레피나무·자금우 등이 보인다.
폭포의 절벽 틈에는 우리나라에서는 희귀식물의 하나인 솔잎난이 자라고 있다. 절벽 앞의 연못가와 절벽 사이에 서 있는 담팔수나무는 천지연 폭포에서 자라는 담팔수나무(천연기념물, 1964년 지정)보다 몸집이 크며, 1971년 제주특별자치도 기념물로 지정되었다.
계곡의 동쪽 냇가에는 수로를 만들어 연못의 물을 끌어내리고 있는데, 이 수로 옆에는 도깨비고비가 많이 자라고 있으며 나도생강이 무성한 곳도 있다. 본래 폭포 밑으로 통하던 길은 바위가 무너질 위험이 있어 보강공사를 실시하였으나, 아직도 위험성이 남아 있어 통행을 제한하고 있다.
천제교 밑의 폭포는 평상시 물이 없으므로 밑에 고여 있는 연못의 물을 끌어올려 인공폭포를 만들고자 제안한 바 있었으나, 주위에 미칠 영향을 검토하지 못하였기 때문에 실시하지 못하고 있다.
이 지역에서는 녹나무도 많이 자라고 있었다는 흔적이 곳곳에 남아 있으므로 계곡의 식생이 제대로 자라게 되면 과거 제주도의 임상을 볼 수 있는 곳이 될 것이다.