a) Thảm thực vật
Theo hệ thống phân loại Thảm thực vật rừng Việt Nam của GS-TS Thái Văn Trừng, rừng ở đây thuộc kiểu “ Rừng kín thường xanh mưa ẩm á nhiệt đới” với các kiểu chính sau:
+ Trạng thái rừng kín thường xanh mưa ẩm nhiệt đới núi thấp, phân bố ở độ cao dưới 700 m. Kiểu này, diện tích còn lại ít, tập trung chủ yếu ở phía Đông Nam VQG, với nhiều họ thực vật điển hình cho khu hệ thực vật nhiệt đới núi thấp miền Bắc Việt Nam có nguồn gốc tại chỗ.
+ Trạng thái rừng kín thường xanh mưa ẩm á nhiệt đới núi trung bình và cao, phân bố ở độ cao ≥ 700 m bao phủ phần phía trên của dãy núi Phia Oắc với nhiều họ thực vật điển hình có nguồn gốc từ hệ thực vật á nhiệt đới (yếu tố di cư) từ Hymalaya - Vân Nam - Quý Châu, Ấn Độ - Miến Điện đi xuống định cư ở Việt Nam.
b) Hệ sinh thái
Hệ sinh thái chính được ghi nhận tại VQG Phia Oắc - Phia Đén như sau:
* Hệ sinh thái rừng:
Hệ sinh thái rừng bị suy giảm cả về số lượng và chất lượng cây rừng; các trạng thái đất trống, rừng phục hồi, rừng hỗn giao khá phổ biến, trạng thái rừng giàu, rừng trung bình còn lại rất ít được phân bố từng đám ở sườn và đỉnh núi hiểm trở. Rừng chủ yếu là các loài thực vật ưa sáng như Khảo cài, Hoắc quang, Thẩu tấu, Màng tang, Chè đuôi lươn, Dẻ, Re, Kháo, Xoan nhừ, Thôi chanh, Chẹo, Muồng, Phân mã... đa phần cây còn lại là các loài tre nứa và thực vật thân thảo như: Cỏ tranh, Cỏ chít, Cỏ Lào, Cỏ lá, Cỏ lông, Đơn buốt... tăng lên về số lượng cá thể trong loài.
Cấu trúc rừng bị phá vỡ: Tầng cây gỗ chỉ còn 2 tầng, độ tàn che thấp, độ che phủ vẫn cao do nhiều loài dây leo, bụi rậm, cỏ quyết phát triển điều
nay đã làm ảnh hưởng khả năng tái sinh của các loài cây gỗ.
Hậu quả của việc khai thác khoáng sản từ năm 2011 trở về trước đã tàn phá rừng, làm suy giảm chất lượng rừng đặc biệt là giá trị về đa dạng sinh học của rừng.
* Hệ sinh thái hồ, ao, suối
Phân bố tập trung ở các vùng lân cận suối đổ về sông Hiến, sông Năng, sông Thể Dục và những suối nhỏ toả rộng trong vùng. Những loài thực vật rừng ven suối, có nhiều loài cây gỗ như Rành rành, Kháo suối, Rù rì nước, Ang nước, Vối, Trâm suối, Nhội, Vàng anh, Lộc vừng...Hệ sinh thái hồ, ao, suối hiện tại bị ô nhiễm do rác thải sinh hoạt và sản xuất miến dong; các sinh vật thủy sinh có nguy cơ bị cạn kiệt.
* Hệ sinh thái làng xóm
Nằm rải rác trong VQG ở dọc các khe suối, chân các dải núi đất; tại đó người dân thường chăn thả gia súc: Trâu, Bò, Lợn…và hoạt động sản xuất trồng cây nông nghiệp, cây ăn quả của người dân gây tác động lớn đến công tác quản lý, bảo vệ rừng và tái sinh tự nhiên của cây rừng tại đây.
* Hệ sinh thái đồng ruộng - nương rẫy
Phân bố tập trung quanh làng bản và dọc theo các con suối. Ruộng bậc thang, ở dọc các dòng nước, dọc các suối gần dân cư nhưng thường chỉ đủ nước cấy một vụ; nương Lúa, Sắn, Ngô ở xa và thường bám vào chân núi đất nơi có rừng. Sự phát triển ruộng đồng dẫn đến sự suy giảm số lượng nhiều loài cây thân gỗ tại VQG.
* Hệ sinh thái đồng cỏ
Phân bố trên một số dông núi, đỉnh núi, những nơi trước đây đã đốt nương làm rẫy để lại hoặc ở sát khu dân cư. Các loài cỏ phổ biến trong hệ sinh thái đồng cỏ là: Cỏ tranh, Cỏ rác, Cỏ lá tre, Cỏ lông lợn, Cỏ lau, Cỏ chít và có nhiều cây bụi thân gỗ như Sim, Mua, Găng, Lấu, Bồ cu vẽ…