Kết quả điều tra hệ động thực vật của VQG Pù Mát cho thấy tính đa dạng sinh học cao. Về hệ thực vật có khoảng 2500 loài, thuộc 202 họ và 931 chi. Riêng thực vật có mạch đã lên tới 1.297 loài thuộc 607 chi và 160 họ, trong đó có 37 loài đƣợc ghi vào sách đỏ Việt Nam.
Hệ động vật Pù Mát cũng có tính đa dạng sinh học cao với khoảng 939 loài, trong đó 131 loài thú, 295 loài chim, 70 loài bò sát và lƣỡng cƣ, 84 loài cá, 39 loài dơi và rất nhiều loài bƣớm ngày và bƣớm đêm. Số loài quý hiếm đƣợc ghi vào trong sách đỏ Việt Nam lên tới 68 loài. Các loài thú mới lần đầu tiên xuất hiện ở Việt Nam có Sao La, Mang Lớn, Mang Trƣờng Sơn, Thỏ Vằn Trƣờng Sơn đã gây sửng sốt cho các nhà khoa học Thế giới. Trong các loài thú điển hình là Khỉ đuôi lợn, khỉ mốc, khỉ vàng, khỉ đuôi dài, khỉ cộc; vọoc xám, voọc vá; vƣợn đen má trắng và vƣợn đen má vàng. Có 6 loài chim đƣợc xem là những loài nguy hiểm cấp toàn cầu và 16 loài đang có nguy cơ bị đe doạ. Điển hình là các loại nhƣ gà so, gà lôi, trĩ sao, gõ kiến, niệc, bói cá, vẹt, phiến đất, gầm ghì vằn, cu xanh, diều, đại bàng Mã Lai, giẻ cùi vàng, sáo vàng, khƣớu. Trong các loài lƣỡng cƣ và bò sát có mặt tại VQG Pù Mát đƣợc đánh giá là có nhiều loài quý hiếm đƣợc đặc biệt chú ý trong công tác bảo tồn ở Việt Nam cũng nhƣ cấp độ bảo tồn quốc tế nhƣ kỳ đà, hổ mang chúa, trăn Miến Điện, trăn vằn, rùa hộp vằn, rùa viền núi. Bƣớm cũng có một số loài đƣợc xác định là lần đầu tiên phát hiện ở Việt Nam và cũng chỉ có ở khu vực VQG Pù Mát. Nhƣ vậy, về đa dạng sinh học Pù Mát không những đƣợc đánh giá là có tầm cỡ quốc gia mà còn có giá trị cao cho cả khu vực.