武陵源森林植物和野生動物資源極為豐富，被譽為“自然博物館和天然植物園”。植物學家認定武陵源處于“亞熱帶常綠闊葉林帶”的“中心位置”，“保留了長江流域古代植物群落的原始風貌”。景區(qū)內(nèi)植物生態(tài)群落完整，林相秀美，以常綠闊葉林為主，雜以針葉和落葉闊葉林。根據(jù)中南林學院的科研資料，全區(qū)木本植物約 751 種（包括56 個變種），分屬 298 屬，102 科。

    其中裸子植物按鄭萬鈞統(tǒng)計，計 18 種（含 3 個變種），16 屬，6 科 ；被子植物按哈欽松統(tǒng)計，計 734 種（含 53 變種），282 屬，96 科。武陵源植物區(qū)系屬中國—日本植物特異性的特征，有珙桐、銀杏、紫莖、白豆杉、篦子三尖杉、水青樹、金錢槭、香果樹、鐘萼木等稀有珍貴樹種。古樹是自然遺產(chǎn)中的“活文物”，武陵源的古樹具有古、大、珍、奇、多的特點。

    神堂灣、黑樅垴保存有完好的原始森林。樹齡最長者逾 460 年，樹身最高 43.5 米，胸圍最大 5.95 米。張家界村一株銀杏古樹高44 米，胸徑 1.59 米，被稱為自然遺產(chǎn)中的活化石。生長于腰子寨的珙桐，是國家一級保護樹木。這些植物有著極高的科研價值，其生存環(huán)境、林相結(jié)構(gòu)及其保護保存等都是重大的研究課題。

    武陵源在動物地理分布上屬于東洋界華中區(qū)，位于西部山地高原區(qū)與東部丘陵平原亞區(qū)的交界線邊緣。這里地形復雜，氣候溫和，雨量豐富，森林茂密，給動物生存繁衍創(chuàng)造了良好環(huán)境。經(jīng)初步調(diào)查，其中屬國家Ⅰ級保護動物有云豹、金錢豹 2 種，Ⅱ級保護動物有 54 種，包括大靈貓、獼猴、穿山甲、大鯢、紅腹角雉、鴛鴦等。其中獼猴較多，據(jù)初步觀察統(tǒng)計為300只以上。當?shù)厝私小巴尥摁~”的大鯢，則遍見于溪流、泉、潭中。