Theo thống kê bước đầu, Vườn quốc gia Xuân Sơn có 1.179 loài thực vật có mạch thuộc 650 chi và 175 họ[2] trong đó có 52 loài thuộc ngành Quyết và ngành Hạt trần. Có 91 loài cá, 75 loài bò sát và lưỡng cư, 241 loài chim, 76 loài thú[2].

Nằm trong khu vực giao tiếp của hai luồng thực vật Mã Lai và Hoa Nam, hệ thực vật ở Xuân Sơn có các loài re, dẻ, sồi và mộc lan chiếm ưu thế. Ngoài ra, ở Xuân Sơn còn có các loài tiêu biểu cho khu vực Tây Bắc như táu muối, táu lá duối, sao mặt quỷ và chò chỉ, chò vảy, nghiến, dồi, vầu đắng, kim giao (rừng chò chỉ ở Xuân Sơn là một trong những rừng chò chỉ đẹp và giàu nhất miền Bắc). Xuân Sơn còn là kho giống bản địa, kho cây thuốc khổng lồ, đặc biệt là cây rau sắng mọc tự nhiên có mật độ cao nhất miền Bắc[3].