Alternance de vastes forêts, de terres agricoles et de vallées prairiales, le Châtillonnais offre une intéressante diversité de paysages. La vallée de la Seine marque la limite entre les plateaux du Duesmois et du Châtillonnais. Le climat subit des influences montagnardes avec d'importantes précipitations (autour de 900 mm par an), et continentales avec une forte amplitude de température.

Ce territoire laisse la part belle aux massifs forestiers, notamment avec la forêt domaniale de Châtillon-sur-Seine dont la superficie avoisine les 9 000 hectares ; c'est l'une des plus grandes de France. Les stades forestiers les plus jeunes permettent d'entendre l'Accenteur mouchet ou encore le Torcol fourmilier. Les plus vieilles futaies hébergent les Pics cendré ou noir, le Pigeon colombin et bien d'autres espèces encore.

Le dense réseau hydrographique composé de ruisseaux, permet à l'élégante mais rare Cigogne noire de nicher dans le Châtillonnais. Elle affectionne particulièrement les cours d'eau de tête de bassin versant, où elle trouve en abondance les Chabots communs qui constituent une part importante de son alimentation. Si vous l'apercevez au détour d'une balade, n’essayez pas de l'approcher car la dame noire est farouche et s'envolera bien vite. Les principaux cours d'eau découpant le plateau selon un axe sud-est nord-ouest sont l'Ource, la Digeanne, le Brévon, la Coquille, le Revinson et bien entendu la Seine. Enfin, à l'extrême nord-ouest du département s'écoule la Laignes, toujours selon le même axe. Le Cincle plongeur et la Bergeronnette des ruisseaux fréquentent les zones en amont des cours d'eau, tandis que l'Hirondelle de rivage et le Martin-pêcheur d’Europe occuperont les berges abruptes des méandres situés dans la plaine.

Au fond des vallons ou sur certains versants, la présence d'une couche imperméable de marne conduit à la formation de marais. La forte teneur en calcaire de l'eau, liée à la géologie du massif, leur confère un caractère tufeux. C'est le cas du marais du Cônois, situé sur la commune de Bure-les-Templiers.

La dépression cisaillant le plateau d'ouest en est, entre Laignes et Châtillon-sur-Seine, est occupée essentiellement par des cultures céréalières. Les passereaux des milieux ouverts y sont largement représentés (Bruant proyer, Alouette des champs, etc.). C'est au beau milieu de cette plaine agricole que se trouve l'étang de Marcenay, un des plans d'eau les plus intéressants du département pour y observer les oiseaux.

La cuesta (côte calcaire) située au nord de cette dépression accueille une faune particulière, du fait de son exposition au sud. On y retrouve notamment l'Alouette lulu, de nombreux Pouillots et parfois le Circaète Jean-le-Blanc ou l’Aigle botté.