Rừng nguyên sinh tại khu bảo tồn thiên nhiên Pù Luông là loại rừng kín nhiệt đới thường xanh theo mùa. Năm loại kiểu phụ rừng chính tồn tại do kết quả của sự đa dạng độ cao và các tầng chất nền: rừng lá rộng đất thấp trên núi đá vôi (60–700 m); rừng lá rộng đất thấp trên các phiến thạch, sa thạch và đất sét (60-1.000 m); rừng lá rộng chân núi đá vôi (700–950 m); rừng lá kim chân núi đá vôi (700–850 m) và rừng lá rộng chân núi Bazan (1.000-1.650 m). Khu bảo tồn cũng tồn tại các thảm rừng thứ sinh như rừng tre nứa, cây bụi và đất nông nghiệp[1].

Nằm cách không xa Vườn Quốc gia Cúc Phương, Pù Luông có sự tương đồng cao về khu hệ động thực vật so với Cúc Phương[1].

Khu bảo tồn có hệ động thực vật phong phú, đa dạng về số lượng và chủng loại với 598 loài động vật thuộc 130 họ động vật có xương sống, trong đó có 51 loài quý hiếm (gồm 26 loài thú, 5 loài dơi, 6 loài chim, 5 loài cá nước ngọt, 6 loài bò sát)...

Về khu hệ động vật có xương sống, một báo cáo cho biết có tổng số 84 loài thú (gồm cả 24 loài dơi), 162 loài chim, 55 loài cá, 28 loài bò sát và 13 loài ếch nhái đã được ghi nhận. Khu hệ côn trùng tại Pù Luông có ít nhất là 158 loài bướm, 96 loài thân mềm trên cạn, trong đó có 12 loài thân mềm có thể là đặc hữu cho khu vực[1].

Khu bảo tồn này là nơi cư trú của báo gấm, beo lửa, hươu sao, gấu ngựa, sơn dương, voọc quần đùi trắng...