Theo cuộc khảo sát năm 1999 thì Khu bảo tồn thiên nhiên Kẻ Gỗ có 46 loài có vú, 270 loài chim và 562 loài thực vật.

Miền cao hơn 300 mét phần lớn là cây thuộc Chi Sao. Vùng thấp thì các chi Michelia, Cinnamomum, cùng sến mật (Madhuca pasquieri) và lim xanh (Erythrophleum fordii) phổ biến nhất. Các loài thực vật quý thì phải kể táu, gõ, chò chỉ, kim giao, sến, lát hoa.

Các loại động vật quan trọng chủ yếu là loài chim như:[1]

• gà lôi lam đuôi trắng (Lophura hatinhensis),
• gà lôi lam mào đen (Lophura imperialis),
• trĩ sao (Rheinardia ocellata),
• khướu mỏ dài (Jabouilleia danjoui),
• Chích chạch mặt xám (Macronous kelleyi).

Ngoài ra còn có gà lôi hồng tía, ngan cánh trắng, vượn, gấu, tê tê, sóc bay. Riêng gà lôi lam đuôi trắng (danh pháp khoa học: Lophura hatinensis) được phát hiện ở đây năm 1988. Đây loài đặc hữu của vùng Hà Tĩnh Quảng Bình, không có nơi nào khác trên thế giới nên khu Kẻ Gỗ là tối thiết yếu trong việc bảo tồn.[1]

Voi, hổ và bò tót có lẽ đã tuyệt chủng vì săn bắn, không còn thấy dấu vết sinh hoạt.[1]

Khu Kẻ Gỗ còn có 100 loài bò sát và lưỡng cư.