武陵源風景名勝區森林覆蓋率85%。武陵源風景名勝區內植物分布呈現多樣性、過渡性、垂直性和古老性以及石峰上植被繁茂、種類繁多等特點。樹種以喬木為主，喬木、灌木和草木相混生；以常綠為主，常綠、半常綠和落葉並存；以天然林為主，天然林與人工林相間；以闊葉林為主，闊葉林與針葉林相混生。
根據1988年頒布的《國家重點野生植物名錄》，武陵源風景名勝區內有國家一類、二類保護樹種21種，其中一類有珙桐、伯樂樹（鍾萼木）、香果樹、南方紅豆杉、紅豆杉5種；二類有白豆杉、篦子三尖杉、巴東木蓮、鵝掌楸（馬褂木）、榧樹、閩楠、花櫚木、紫莖、刺楸、傘花木、擬單性木蘭、毛紅椿、厚樸、凹葉厚樸、杜仲、櫸木16種。
據1988年初步調查，景區內有古樹17棵、25種、55株。其中：楓香7株，黃連木6株，楓楊4株，缺萼楓香、樟樹、桂花、柏木、武陵鬆各3株，銀杏、南酸棗、刺楸、黃心葉合各2株，其他12種樹各1株
武陵源風景名勝區境內自然植被中，有維管束植物達193科、730屬、1630種。其中木本植物107科、250屬、700種，草本植物879種。木本植物中裸子植物7科、11屬、17種；被子植物96科、286屬、734種。
武陵源風景名勝區境內中生代白堊紀至第三紀形成的被子植物科數占世界被子植物科數的29.8%，其中最原始離心皮類的被子植物有5屬11種。中生代白堊紀植物有金縷梅科、樟科等；新生代第三紀植物有八角楓科、七葉樹科、山茶科、旌節花科、蘭果樹科等。其中古老植物有八角科、五味子科、毛茛科、金粟蘭科、楊柳科、樺木科、榛科、殼鬥科、桑科、榆科、杜仲科、鍾萼木科、領春木科、珙桐科、大血藤科、核桃科等16科。著名的第三紀孑遺植物鵝掌楸（馬褂木）散生於原始次生林中。
1988年，武陵源風景名勝區的野生動物屬東洋界華中區西部山地高原亞區（鄭作新教授區係），東北部接鄂西北神農架，西南臨黔東北梵淨山世界生物圈保護區網，位於中國西部山地高原與東部丘陵平原亞區交界線左側邊緣。
據1980年中國科學院華南考察隊考察，武陵源地區境內有陸生脊椎野生動物22目、58科、149種。以鳥類居多，占種數的46.9%；其次為獸類，占28.9%；爬行類占16.1%；兩棲類占8.1%。屬國家一級保護的3種：豹、雲豹、黃腹角雉；國家二類保護的25種：獼猴、短尾猴、蘇門羚、穿山甲、黑熊、大靈貓、水獺、林麝、水鹿、豺、鴛鴦、鳶、雀鷹、鬆雀鷹、紅腹角雉、白冠長尾雉、紅腹錦雞、褐翅鴉鵑、草鴞、斑頭鵂鶹、短耳鴞、長耳鴞、虎紋蛙、大鯢。其中18種被列入《瀕危野生動植物國際貿易公約》。屬湖南省級保護的有獐、毛冠鹿、紅嘴相思鳥等54種。還有脆蛇蜥、麗紋蛇、魚遊蛇以及索溪峪景區野人井內通體透明的盲眼魚等動物。
武陵源風景名勝區境內有獸類8目、21科、43種，屬國家一、二類保護的13種。有10目、24科、70種。以留鳥為主，兼有候鳥。屬國家保護種類的13種，占境內鳥類總數的18.6%。兩棲類動物2目6科12種。