Bốn kiểu rừng chính ở Xuân Liên là rừng lá kim hỗn giao và rừng lá rộng thường xanh trên núi thấp chiếm khoảng 18% tổng diện tích khu bảo tồn, ở các đai cao trên 800 m, với các loài cây gỗ lá rộng của họ Dẻ, họ Long não và họ Dầu (Dipterocarpaceae), ngoài ra một số loài hạt trần như thông nàng (Podocarpus imbricatus), sa mu (Cunninghamia konishii) và pơ mu (Fokienia hodginsii) cũng xuất hiện rải rác trên các đai cao trên 1000m trong kiểu rừng này. Kiểu rừng chính thứ hai là rừng thường xanh trên đất thấp xuất hiện ở độ cao dưới 800 m. Kiểu rừng này đã bị chặt phá và suy thoái nghiêm trọng và chỉ chiếm 3% tổng diện tích tự nhiên của vùng. Các kiểu rừng thứ sinh có rừng hỗn giao tre nứa, cây gỗ và rừng thường xanh phục hồi, cả hai đều là dạng thảm thực vật thứ sinh phát triển từ rừng sau khai thác hoặc sau nương rẫy. Các kiểu thảm thực vật còn lại là rừng tre nứa thuần loại, trảng cỏ và trảng cây bụi (Lê Trọng Trải et al. 1999)[1].

Theo thống kê sơ bộ, khu bảo tồn hiện có hơn 6.000 ha rừng nguyên sinh, 572 loài thực vật, trong đó có 156 cây thuốc quý, hơn 40 loài cây ăn quả, hơn 300 loài cây lấy gỗ, 23 loài cây lấy nhựa và dầu như trầm gió, bời lời, quế và hàng trăm cây thuốc quý, cây đan lát, hàng chục họ lan. Đặc biệt, ở đây còn có loài cọ Bắc Sơn quanh năm tốt tươi, tán lá mọc chụm ở ngọn, dáng to cao, tạo nên vẻ đẹp uy nghi, hùng vĩ...[2]

Trong số 560 loài thực vật ghi nhận được tại Xuân Liên năm 1998, có 4 loài là các loài đặc hữu Việt Nam là cây vù hương (Cinnamomum balansae), Cọ mai nháp lá nhỏ (Colona poilanei), loài Croton boniana và cây lá nến không gai (Macaranga balansae)[1].