Khu rừng quốc gia Yên Tử có tổng diện tích tự nhiên khoảng 2.783ha, được xem như một bảo tàng lưu giữ và bảo tồn hệ sinh thái đa dạng của hệ thống rừng đặc dụng Việt Nam. Hệ thực vật Yên Tử được đánh giá là đa dạng về loài, chi và họ. Rừng Yên Tử có 5 ngành thực vật với 830 loài, mà nhiều nhất là ngành hạt kín với 670 loài, trong đó có 38 loài thực vật đặc hữu quý hiếm.
Hệ thực vật ở đây được đánh giá là đa dạng về sự sống vì sự có mặt của tất cả các kiểu dạng sống khác nhau. Trong đó, ưu thế là nhóm cây có chồi trên đất, chiếm 84,29% tổng số loài. Trong nhóm cây có chồi trên đất thì chủ yếu là cây gỗ lớn và vừa.
Thực vật ở Yên Tử rất có giá trị về tài nguyên, trong đó có 547 loài cây có ích có thể sử dụng vào 13 nhóm công dụng khác nhau. Riêng nhóm cây thuốc có khoảng 300 loài, với nhiều loại cây có giá trị cao như: Ngũ gia bì gai, kim tuyến, cát sâm, bách xanh, đại kế, hoằng tinh hoa trắng, hà thủ ô đỏ, bổ béo đen, giảo cổ lam, rau sắng, lan một lá, bảy lá một hoa, sâm cuốn chiếu, ba gạc Ấn Độ, trầu một lá...
Đặc biệt, Yên Tử có 20 loài thực vật quý hiếm được ghi trong Sách Đỏ Việt Nam, 6 loài cần được ưu tiên bảo tồn và phát triển. Các loài thực vật điển hình gồm: Lim xanh, gụ lau, sến mật, táu mật, hoàng đàn giả (hồng tùng), trầu tiên, sú rừng. Thảm thực vật rừng Yên Tử thuộc 2 kiểu rừng chính là rừng kín thường xanh mưa nhiệt đới và rừng kín lá rộng thường xanh mưa á nhiệt đới núi thấp.
Ở Yên Tử còn có một số loài cây có tuổi đời hàng trăm năm tuổi gắn liền với sự nghiệp tu hành ở Yên Tử của Trần Nhân Tông cùng các sơn môn, Phật tử. Năm 2016, Khu rừng quốc gia Yên Tử đã công bố 144 cây đủ tiêu chí là cây Di sản, gồm: 1 cây đa tía, 1 cây thị, 102 cây hồng tùng (xích tùng), 10 cây thông nhựa khổng lồ, 21 cây mai vàng đặc hữu Yên Tử và 9 cây đại cổ thụ. Hệ thống cây Di sản ở Yên Tử không những nổi bật với sự hấp dẫn đặc biệt về giá trị lịch sử, văn hóa tâm linh mà còn nổi bật bởi tuổi đời cây từ 300 năm đến trên 700 năm.
Hệ động vật cũng đa dạng và phong phú không kém với 151 loài động vật ở cạn có xương sống. Trong đó, có 20 loài được xếp vào Sách Đỏ Việt Nam, như: Voọc mũi hếch, sóc bay lớn, ếch ang, ếch gai, thằn lằn cá sấu... có giá trị cao về bảo tồn nguồn gen, nghiên cứu khoa học, giáo dục và du lịch...