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La ZNIEFF, dont le périmètre initial correspondait au parc, a été réduite à ses principaux vallons en fonction du projet d'aménagement touristique du parc (en cours en 2005).
Le Parc de Châteauvillain fut une propriété de la Famille de France et a été fermé au public pendant plus de quarante ans. Acheté par la commune en 1988, une grande partie est occupée par des pelouses résiduelles et des massifs forestiers dont la strate arborescente présente de très beaux sujets ; la strate herbacée s'apparente à la végétation des clairières, liée en grande partie à l'action d'un troupeau de daims exerçant une forte pression sur le milieu forestier en entretenant un couvert forestier dégagé. On note également des terres agricoles à l'abandon présentant divers stades de colonisation végétale et des secteurs forestiers peu exploités avec beaucoup de vieux arbres dont la présence est très favorable à l'avifaune.
On y rencontre plusieures espèces végétales rares : la jusquiame noire, quasi disparue de la Haute-Marne et inscrite sur la liste rouge des végétaux de Champagne-Ardenne, le cynoglosse germanique, d'origine montagnarde et le cassis, également inscrits sur la liste rouge régionale, la germandrée des marais et l'aconit napel, protégés tous les deux au niveau régional.
L'entomofaune est notamment représentée par le petit collier argenté inscrit sur la liste rouge régionale des papillons.
Les amphibiens sont bien représentés (grenouilles, tritons, crapauds) ; la rainette verte, en déclin dans l'ensemble de l'Europe et en France (nord et est du pays), est recensée dans les secteurs humides. Elle est protégée au niveau européen (annexe II de la convention de Berne) et national (depuis 1993) et inscrite sur les listes rouges internationale (annexe IV de la directive Habitats), nationale (livre rouge de la faune menacée en France) et régionale (catégorie vulnérable, c'est à dire dont les effectifs sont en forte régression du fait de facteurs extérieurs défavorables).
Le site convient à la nidification et/ou à l'alimentation de nombreuses espèces d'oiseaux dont plusieurs couples de rouge-queue à front blanc (nicheur), en nette régression depuis les années 70 et très peu représentés en Haute-Marne, de gobe-mouche gris, de cincle plongeur, ainsi que de nombreux pics attirés par la présence de bois agés. Une belle héronnière est présente.
Il existe au sein du parc un parcours important pour les daims qui ont donné à ce site son caractère original.
Très paysager, ce parc est fréquenté par un public nombreux qui l'apprécie.
La nouvelle délimitation a été faite en fonction du projet d'aménagement touristique du parc (en cours en 2005).
