2013년 3월 21일에 명승으로 지정되었다. 황병산에서 동쪽으로 뻗은 운계봉(531m)의 남사면에서 동해로 흘러가는 사천천을 따라 형성된 계곡이다. 계곡의 총 길이는 약 6㎞이다. 사람들의 출입이 많지 않기 때문에 훼손되지 않은 자연의 모습을 거의 그대로 간직하고 있으며, 계곡 주변의 소나무와 기암이 어우러져 절경을 이룬다.
강릉시 사천면 사기막리에서 가장 상류 쪽에 있는 계곡으로, 계곡 안에는하천의 마식작용(磨蝕作用)에 의해 만들어진 소가 여러 곳에 있다. 옛날 이 소에 살던 용이 하늘로 승천했다고 하여 '용소'라 부르게 되었고, 주변 마을은 '용연동(龍淵洞)'이라 하였다. 예전에 마을 사람들은 가뭄이 계속 되면 개를 끌고 용소에 와서 기우제를 지낸 후 제물로 바쳤다고 한다. 그러나 용연동은 1985년 11월에 사기막저수지가 완공되면서 수몰되었다.
백두대간의 매봉산(1,137m) 줄기에서 내려온 산줄기가 마을을 감싸고, 사지목구렁 · 무릉뎀이 등지에서 흘러온 물이 용소의 상류에서 만나 마을로 흘러내린다. 용연계곡은 사천천이 기반암인 화강암을 침식시켜 형성되었으며 풍화작용에 의해 만들어진 지형이 잘 발달되었다. 계곡에는 소규모 폭포를 비롯하여 폭호, 담, 소 등의 지형이 잇달아 펼쳐져 있다. 용소의 상류부에는 양지폭포가 있다.
계곡을 흐르는 사천천의 하상은 암석이나 자갈로 이루어졌는데, 하류로 향할수록 하천의 퇴적작용에 의해 만들어진 곳이 많다. 계곡의 동쪽 끝 지점은 사천천의 하류부에 해당하므로 하천의 충적작용에 의해 형성된 농경지가 넓게 분포한다.
사천천은 매봉산의 동남쪽 계곡에 있는 무릉담에서 발원하여 동해바다로 흐르는 준용하천이다. 유로연장은 11.4㎞이고, 유역면적은 60.02㎢이다. 지질은 대체로 중생대 쥐라기에 형성된 대보화강암이다. 식생은 냉온대 남부지역의 저산지형 낙엽 활엽수림으로 이루어져 있다. 용연계곡 일대는 2002년에 태풍 루사로 인해 산사태가 크게 발생하기도 하였다.
용연계곡은 사기막저수지를 기준으로 상류와 하류로 나뉜다. 하류부에는 비교적 넓은 농경지와 함께 취락이 입지해 있고, 상류부에는 좁고 긴 사천천에 의해 형성된 계곡과 지류에 의해 만들어진 골짜기가 있다. 특히 상류부에서는 굽이치는 계곡이 인상적이다.
사천천의 북쪽에는 계곡을 따라 산 중턱으로 이어지는 임도가 개설되어 있다. 계곡에는 규모가 큰 취락은 없지만, 독가촌의 형태로 일부 가옥이 자리하고 있다. 사기막저수지의 북서쪽 골짜기에는 용연사(龍淵寺)가 있다. 용연계곡 일원은 용연사의 불교문화행사와 더불어 용소의 전통 제례문화행사가 거행되고 있어 문화적 가치와 역사적 가치가 공존하는 곳으로 평가받고 있다.
사기막리에는 주변의 구릉지에 조선시대의 백자 도요지가 있었다. 이는 사기막저수지를 축조하는 과정에서 발견되었는데, 조선시대에 영동지방에서 제작되었던 백자의 특징과 성격 등을 규명하는 데 중요한 자료이다.