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Le substrat constitué d'argiles, de marnes et recouvert de Limons des plateaux favorise l'existence d'un réseau de mares (dont la plupart ont des berges en pente douce), de rus et la présence de boisements humides. Ces derniers sont les mieux représentés au sud-est du boisement. La strate arborée y est dominée par le Frêne élevé. L'Orme lisse s'y développe également en faible effectif.
La proximité de la nappe permet à certaines mares de rester en eau tout au long de l'année. Ces mares regroupent alors une végétation aquatique et rivulaire spécifique et, la faune qui lui est inféodée (odonates, amphibiens entre autres). Par secteurs, ces mares s'assèchent au cours de la période estivale. Elles permettent à une flore caractéristique des prairies humides et des mégaphorbiaies de s'exprimer.
Lorsque le substrat devient moins imperméable et que la nappe phréatique est moins proche, le boisement évolue vers la chênaie-charmaie. C'est à ce niveau que l'on peut observer plusieurs chênes de gros diamètre.
Au sud-est, les serres et zones de culture, abandonnées depuis peu, ont laissé place à des friches au sein desquelles plusieurs insectes remarquables ont été observés (orthoptères et lépidoptères en particulier).
Le substrat et les successions de couches géologiques de ce boisement sont identiques à ceux du Bois Saint-Martin. Ce qui explique que certaines espèces sont communes à ces deux boisements. Le boisement du Plessis-Saint-Antoine constituerait la relique d'une ancienne continuité entre le Bois Saint-Martin et la Forêt de Notre-Dame.
Les limites de la ZNIEFF incluent l'ensemble des milieux remarquables du site. À l'ouest, les limites sont calées sur les lisières du boisement. Au nord-ouest, elles sont élargies afin d'inclure les prairies localisées sur le pourtour de la Ferme du Plessis-Saint-Antoine (cette dernière est exclue de la ZNIEFF). Dans la partie centrale, les limites sont définies par les lisières du boisement et par le GR (exclu) afin d'écarter les zones urbanisées et les voies de déplacement. À l'est de la ZNIEFF, le périmètre est étendu au pourtour du boisement du Château. Cette bâtisse et ses dépendances ne sont pas intégrées à la ZNIEFF. Au sud-est de la ZNIEFF, les limites englobent les anciennes serres et zones de cultures. Cette extension intègre la parcelle localisée au lieu dit "le Buisson Fleuri".
