Theo Tổ chức bảo tồn chim quốc (Birdlife International), 1998 và Viện Điều tra quy hoạch rừng, 1999 bước đầu đã điều tra, xác định khu BTTN Xuân Liên có 752 loài thực vật bậc cao có mạch thuộc 440 chi, 130 họ. Trong đó có 15 họ có số lượng loài lớn hơn 10, đó là họ Đậu (Leguminoisae) 67 loài, họ Long não (Lauraceae) 45 loài, họ Thầu dầu (Euphorbiaceae) 41 loài, họ Dẻ (Fagaceae) 29 loài, họ Dâu tằm (Moraceae) 22 loài, họ Cà phê (Rubiaceae) 20 loài... Có thể nói số liệu thành phần loài mới ở mức độ điều tra ban đầu đã khá đa dạng, tuy nhiên nếu được điều tra cụ thể hơn nữa thì số lượng loài còn tăng thêm.
- Về mặt khu hệ: là nơi giao thoa của các luồng thực vật khác nhau: Khu hệ thực vật bản địa Bắc Việt Nam và Nam Trung Hoa tiêu biểu là các loài cây trong họ Dẻ, Re, Xoan, Trôm, Mộc lan... yếu tố bản địa này chiếm ưu thế trong khu hệ thực vật khu BTTN Xuân Liên. Các họ này cũng như cá thể lớn nhất, sau đó là các luồng thực vật di cư khác.
+ Luồng di cư từ phía Nam lên mang yếu tố Malaixia-Indonesia: trong đó họ Dầu là họ tiêu biểu với loài Sao mặt quỷ (Hopea mollisima) chiếm số lượng cá thể lớn nhất.
+ Luồng từ Tây Bắc xuống, mang yếu tố vùng ôn đới Vân Nam - Quý Châu và dãy Himalaya: đặc trưng là các loài hạt trần: Pơ mu, Sa mu, Bách xanh….
+ Luồng từ phía Tây và Tây Nam lại, mang yếu tố Indonesia-Malaysia của vùng khô hạn Ấn Độ - Miến Điện: tiêu biểu là loài Chò xanh (Terminalia meyriocarpa), và một số loài rụng lá như Săng lẻ, Thung…
- Về mặt khoa học: có 4 loài đặc hữu hẹp của Việt Nam là Vù hương (Cinamomum balanseae), Chông (Colona poilanei), Cù đèn bon (Crofon boniana), Mã rạng Balansa (Macaranga balansae), 38 loài trong sách đỏ Việt Nam và thế giới. Kết quả điều tra của BirdLife 1999 như Pơ mu, Sa mộc dầu, Bách xanh, Dẻ tùng sọc trắng... , tạo nên các ưu hợp có nhiều nét khác biệt với khu hệ thực vật của các Khu BTTN khác trong khu vực.
- Về mặt giá trị sử dụng: có hơn 500 loài có giá trị kinh tế thuộc 6 nhóm công dụng, có 308 loài cây lấy gỗ như: Pơ mu, Sa mộc dầu, Vù hương, Lát hoa, Giổi...; 23 loài cây cho dầu nhựa (Trầm gió, Màng tang, Re hương, Bời lời...); 156 loài cây làm thuốc (Lá khôi, Thổ phục linh, Hồi núi, Mã tiền lông...); 40 loài cây làm lương thực, thực phẩm (Trám, Sấu, Chay, Dọc, Bứa, Củ mài...); 23 loài lấy sợi phục vụ đan lát (Song, Mây, Cọ...); 80 loài cây có giá trị làm cảnh và cây bóng mát đẹp (các loài Lan, họ Thu hải đường, họ Bóng nước...) [54].
Nhìn chung khu hệ thực vật khu BTTN Xuân Liên đa dạng, phong phú và có giá trị cao về khoa học và kinh tế. Có thể nói đây là hệ thực vật tiêu biểu cho tỉnh Thanh Hóa và vùng núi miền Bắc Việt Nam.