La partie aval de la vallée du Rognon, d'une superficie de près de 930 hectares, est la zone la plus intéressante de la Znieff II dite de la vallée du Rognon, avec une végétation remarquable à plus d'un titre : prairies plus ou moins humides (Bromion racemosi, Arrhenatherion elatioris, Oenanthion fistulosae), autrefois fauchées, mais aujourd'hui plus souvent pâturées, groupements à hautes herbes (mégaphorbiaies), groupements aquatiques de la rivière, plus rarement boisements alluviaux (bel Alno-Padion à orme lisse et cassis), etc.
La flore renferme des espèces rares ou protégées : l'aconit napel protégé en Champagne-Ardenne, la renoncule aquatique, le groseiller à cassis, inscrits sur la liste rouge régionale, ou encore l'orme lisse, la sous-espèce dentata de la cardamine des prés (nouvelle pour la région), la cardamine amère, la laîche paniculée, etc.
La faune contient aussi des richesses remarquables. Les libellules sont caractéristiques des petites vallées calcaires froides, avec en particulier l'agrion de Mercure, très menacé dans la moitié nord du pays, protégé en France (depuis 1993) et en Europe (convention de Berne), inscrit sur les listes rouges nationales et régionales, le cordulégastre annelé, rare en France et d'origine montagnarde, le gomphe à pinces et l'orthétrum brun, etc. Un éphémère, Baetis liebenauae, a été trouvé sur le site à Saucourt-sur-Rognon en 1997 (Coppa G., nouvelle espèce pour la France), en compagnie d'autres espèces, Baetis rhodani, Baetis scambus et Serratella ignita.
Les batraciens sont bien représentés : 16 espèces ont été recensées, dont six figurent dans le livre rouge de la faune menacée en France avec le triton alpestre et le pélodyte ponctué protégés en France et inscrits dans l'annexe III de la convention de Berne et sur la liste rouge régionale, le triton crêté, l'alyte accoucheur, le sonneur à ventre jaune et la rainette verte, tous bénéficiant d'une protection nationale (depuis 1993) et européenne (annexe II de la convention de Berne), inscrits dans l'annexe IV de la directive Habitats et sur la liste rouge des amphibiens de Champagne-Ardenne. La salamandre tachetée et le crapaud calamite sont également inscrits sur cette même liste rouge. Une zone de ponte est située entre Saucourt et Doulaincourt, dans un secteur marécageux d'environ 3 hectares, constitués de prairies humides et de bois. Ce site est traversé par une route départementale qui est un véritable danger pour les batraciens (un comptage a permis d'estimer le nombre des victimes de la traversée à plus de 5 000 individus sur une distance de 300 mètres en 37 jours). Un dispositif de traversée de la départementale, installé provisoirement en 1996 (accord entre Nature Haute-Marne et le Conseil Général) a permis de faire franchir la route à près de 60 000 amphibiens toutes espèces confondues. Un crapaud-duc est à l'étude par la D.D.E. pour permettre la migration des batraciens des forêts et des vallons à l'est du Rognon.
La faune avienne est bien représentée avec 24 espèces protégées (nombreux passereaux, divers rapaces) et deux espèces rares ou menacées : la huppe fasciée, nicheur rare et en régression (la Champagne-Ardenne est considerée comme la limite septentrionale de répartition de l'espèce) et la pie-grièche écorcheur, nicheur commun mais en nette diminution dans la région. Elles sont inscrites toutes les deux sur la liste rouge des oiseaux de Champagne-Ardenne.
Le site est fréquenté par certains mammifères et en particulier des chauve-souris qui estivent pour certaines sous les ponts : le grand murin et le vespertillion de Bechstein, protégés en France (depuis 1981) et en Europe (convention de Berne), inscrits sur les listes européennes (annexes II et IV de la Directive Habitats), dans le livre rouge de la faune menacée en France et sur la liste rouge des mammifères de Champagne-Ardenne.
Les poissons sont très caractéristiques des eaux claires peu polluées : truite sauvage, vandoise, vairon, loche franche, ainsi que le brochet et l'ombre commun (excellent indicateur de la qualité des eaux) inscrits dans le livre rouge de la faune menacée en France, le chabot et la petite lamproie (directive Habitats). La rivière est en très bon état et parmi les plus représentatives du département (secteur de référence du schéma départemental piscicole avec une pression de pêche encore assez faible, un réempoissonnement négligeable et la présence de nombreuses zones de frai, en particulier por les truites et le brochet).
La zone est dans un bon état général.
Les limites de la ZNIEFF suivent les contours de la vallée du Rognon (lit majeur) entre Donjeux et Roches-Bettaincourt