Les sources dans le monde fonctionnant sur le même modèle que la Fontaine de Vaucluse sont appelées "sources vauclusiennes". La température faible et constante de la Sorgue, couplée à un débit toujours régulier, confère à cette rivière une très bonne oxygénation. Ces conditions idéales lui permettent d'accueillir un écosystème très diversifié. Parmi les nombreuses espèces présentes on peut citer le castor, le ragondin, le martin pêcheur, le canard colvert, le héron cendré, le cincle plongeur, la truite fario, l'ombre commun et plus surprenant elle abrite aussi deux espèces d'insectes aquatiques endémiques (Rhyacophila vallisclausae et Bythinella sorgica), qui n'existent qu'ici.
La source de la Sorgue est l’émergence d’un immense réseau souterrain. Il faut attendre la fin du XIXe siècle et surtout les grandes explorations spéléologiques du XXème siècle pour être certain au moins d'une chose. La fontaine de Vaucluse est une exurgence, c'est-à-dire qu'elle n'est pas à proprement parler une source, mais plutôt la sortie à l'air libre d'une rivière souterraine (la Sorgue de Vaucluse). La source de la Sorgue est la plus grande source karstique de France par son débit. Elle alimente la rivière toute l’année d’une eau fraiche et limpide, grâce à un immense réservoir formé de roches carbonatées et alimenté par les pluies.
Les eaux qui bondissent à Fontaine-de-Vaucluse, proviennent de l'infiltration des eaux de pluie et de la fonte des neiges du sud du mont Ventoux, des monts de Vaucluse, de la montagne de Lure, du plateau d'Albion, des gorges de la Nesque qui représentent un "impluvium" de 1 240 km² dont l'unique issue demeure la Fontaine.
La source de la Sorgue est alimentée par un immense aquifère karstique, dont les eaux jaillissent à Fontaine de Vaucluse, soit par : le gouffre de la Fontaine de Vaucluse, d’où l’eau déborde une partie de l’année ; soit des griffons qui sont des sources inférieures situées dans le lit de la Sorgues. Les griffons sont situés un peu en aval du gouffre, dans le lit de la rivière. Ils fournissent de l’eau à la Sorgue, même en été. En fonction des pluies tombées sur l’impluvium, l’eau remonte plus ou moins haut dans le gouffre de la Fontaine de Vaucluse et peut « déborder ». Il est très impressionnant de voir le gouffre, ou la vasque, déborder, car la Sorgue semble alors surgir de la falaise et rebondit avec fracas dans les blocs de roche de son lit.
Le sorgomètre
Depuis 1869, pour mesurer la hauteur de l'eau et son débit à la sortie du gouffre, une échelle graduée ou échelle limnimétrique est scellée sur le rocher du gouffre : c'est le sorgomètre. Il permet de mesurer le niveau d'eau dans le gouffre. Le niveau zéro du sorgomètre se situe à 84,45 m au dessus du niveau de la mer. C'est une succession de 25 règles graduées d'1 m donnant les niveaux positifs et 2 règles supplémentaires sous le zéro mesurant les niveaux négatifs. Le Zéro du Sorgomètre n'est atteint qu'en cas de forte sécheresse et même dans ce cas là, la Source donne encore plus de 4m3 par seconde…
Lorsque l’eau atteint la côte de 21,07 m sur le sorgomètre, les eaux de la Fontaine débordent par-dessus le seuil avant de rejoindre, plus en aval, l’eau apportée par les griffons. Le débit de la rivière atteint alors les 22 m3/s. Grâce à la hauteur de l'eau on connait son débit à + ou – 200 litres.
Avant l'installation du Sorgomètre, les anciens se servait du Figuier pour mesurer les variations de la Fontaine, cet arbuste n'a pas d'âge… il existait déjà à l'époque de François Pétrarque (1304-1374) qui le mentionne dans une lettre.
Le gouffre de la fontaine de Vaucluse
Mais la fontaine de Vaucluse est aussi un gouffre de plus de 300 mètres de profondeur. La Fontaine de Vaucluse est à ce jour le plus profond gouffre noyé connu. Le gouffre qui alimente la Cascade conserve tous sont Mystère malgrés toute les expeditions spéléogiques qui ont eu lieu depuis la fin du XIX° siècle dans le gouffre en forme d'entonnoir vertical de 308 mètres de profondeur et plus d'un siècle d'explorations. Depuis toujours les hommes ont cherché à percer les mystères de la Fontaine de Vaucluse.
Fréquentée dés l'antiquité par les romains qui vouaient un culte aux divinités des Sources, ce n'est qu'en 1878 qu'un scaphandrier marseillais, Mr Ottonelli, explore le gouffre et atteint – 23 mètres de profondeur équipé d'un scaphandre lourd. La barque utilisée lors de cette 1ère plongée a coulé et se retrouve immergée aujourd'hui. En 1946, c'est l'équipe du commandant Cousteau qui atteint 46 mètres, c'est la 1ère plongée en scaphandre autonome.
En 1955, 80 plongées avec l'Ofrs (équipe Cousteau) permettent de descendre jusqu'à 76 mètres. En 1967, Cousteau envoie le Télénaute (robot) qui atteint 106 mètres. En 1981 la SSVF (Société Spéléologique de Fontaine de Vaucluse) reprend les recherches. Touloumdjan, aidé de la Comex atteint 153 mètres et Hasenmayer en 1983 atteint la profondeur exceptionnelle de 205 mètres , tous les deux en scaphandre autonome. La même année, la SSFV immerge le Sorgonaute (engin filoguidé) jusqu'à 245 mètres. En 1985, la Société spéléologique de Fontaine de Vaucluse a atteint le fond du gouffre à -315 m de profondeur grâce à un petit appareil sous-marin filoguidé, la SSFV dresse une nouvelle cartographie du gouffre. A plus de 223 m au-dessous du niveau de la mer, le puits se poursuit par 2 galeries non explorées à ce jour… Plus d’un siècle d’audacieuses explorations permettent aujourd’hui de comprendre partiellement le mystère de son fonctionnement et l’origine des eaux.
De nombreux trésors archéologiques, comme des vieilles pièces de monnaie, furent trouvés. Entre 2003 et 2004, on a découvert à 300 m de profondeur des milliers de pièces de monnaie datant de - 80 ans avant. J.-C. au Ve siècle. Ce sont près de 1600 pièces qui sont mises à jour. Certaines de ces pièces en or sont d'une valeur archéologique exceptionnelle. C'est bien la preuve que le site était fréquenté dès l'antiquité et que la Source de Fontaine recevait des offrandes lors du culte de l'Eau chère aux Romains.
C'est cette source et la Sorgue qui suscitèrent l’installation des premiers moulins à papier au XVe siècle, une véritable vocation industrielle assurant d’excellents profits à la ville. Aujourd'hui, grâce au Moulin à papier « Vallis Clausa » on peut redécouvrir cette tradition des papiers chiffons faits à la main comme au XVème siècle.
Cette source, aux eaux puissantes, a attiré bon nombre d’artistes. Outre Pétrarque qui vécut de nombreuses années à « Vaucluse », d'autres illustres visiteurs sont venus admirer la Fontaine, on peut citer Voltaire, Boccace, Stendhal, Lamartine, Georges Sand et Chateaubriand mais aussi le Roi de France Louis XVI , la Duchesse de Berry ou encore plus près de nous René Char, l'enfant du Pays.