武陵源森林植物和野生动物资源极为丰富，被誉为“自然博物馆和天然植物园”。植物学家认定武陵源处于“亚热带常绿阔叶林带”的“中心位置”，“保留了长江流域古代植物群落的原始风貌”。景区内植物生态群落完整，林相秀美，以常绿阔叶林为主，杂以针叶和落叶阔叶林。根据中南林学院的科研资料，全区木本植物约 751 种（包括56 个变种），分属 298 属，102 科。

    其中裸子植物按郑万钧统计，计 18 种（含 3 个变种），16 属，6 科 ；被子植物按哈钦松统计，计 734 种（含 53 变种），282 属，96 科。武陵源植物区系属中国—日本植物特异性的特征，有珙桐、银杏、紫茎、白豆杉、篦子三尖杉、水青树、金钱槭、香果树、钟萼木等稀有珍贵树种。古树是自然遗产中的“活文物”，武陵源的古树具有古、大、珍、奇、多的特点。

    神堂湾、黑枞垴保存有完好的原始森林。树龄最长者逾 460 年，树身最高 43.5 米，胸围最大 5.95 米。张家界村一株银杏古树高44 米，胸径 1.59 米，被称为自然遗产中的活化石。生长于腰子寨的珙桐，是国家一级保护树木。这些植物有着极高的科研价值，其生存环境、林相结构及其保护保存等都是重大的研究课题。

    武陵源在动物地理分布上属于东洋界华中区，位于西部山地高原区与东部丘陵平原亚区的交界线边缘。这里地形复杂，气候温和，雨量丰富，森林茂密，给动物生存繁衍创造了良好环境。经初步调查，其中属国家Ⅰ级保护动物有云豹、金钱豹 2 种，Ⅱ级保护动物有 54 种，包括大灵猫、猕猴、穿山甲、大鲵、红腹角雉、鸳鸯等。其中猕猴较多，据初步观察统计为300只以上。当地人叫“娃娃鱼”的大鲵，则遍见于溪流、泉、潭中。