천지연(天地淵)은 ‘하늘[天]과 땅[地]이 만나 이루어진 깊은 연못[淵]’이라는 뜻을 지닌 이름이다.
폭포의 수원(水源)은 솜반천에서 솟아나는 용천수이며, 해안 가까이 암석과 지층 사이를 따라 흘러나온다. 높이 20m, 폭 12m, 면적 2,500㎡에 이르며, 폭포 아래 형성된 폭호(瀑壺)는 너비 약 70m, 깊이 약 20m의 큰 못을 이룬다. 폭포 벽면에는 조면안산암 용암류가 병풍처럼 드리워져 있어, 절벽의 높이는 30~40m에 달한다. 이 용암류는 서귀포층을 덮고 있어 제주도의 지질 형성 과정을 보여주는 중요한 단서를 제공한다.
폭포 진입로 주변은 아열대 및 난대성 상록수와 양치식물들이 울창한 숲을 이루고 있어 생태적 가치도 높다. 특히 폭호 안에는 무태장어가 서식하고 있으며, 이는 천지연폭포의 생태적 특징을 대표하는 존재다. 정방폭포와 달리 천지연의 물은 바다로 직접 낙하하지 않고 하천을 따라 흘러가면서 바다로 유입된다.
천지연폭포는 오랜 시간에 걸친 두부침식(頭部浸蝕) 작용으로 인해 해안선에서 50~60m 내륙 쪽으로 후퇴했다. 폭포 주변은 무태장어 서식지, 담팔수 자생지, 천지연 난대림 등이 분포하며, 이들은 천연기념물로 지정, 보호되고 있다. 현재 천지연은 제주도의 대표 관광지로 개발되어, 폭포 진입로 주변에는 주차장과 상업 시설이 조성되어 있으며, 연간 100만 명 이상의 탐방객이 방문하는 명소로 자리 잡았다.