Dựa trên "Hệ phân loại thảm thực vật rừng nhiệt đới ở Việt Nam" của Thái Văn Trừng (1998), kết quả điều tra của Nguyễn Quốc Dụng (1999) và
kết quả cập nhật diễn biến rừng và đất lâm nghiệp năm 2009 cho thấy thảm thực vật rừng khu BTTN Xuân Liên với các kiểu rừng chính và phụ như sau:
- Rừng kín thường xanh chủ yếu cây lá rộng á nhiệt đới núi thấp: phân bố từ độ cao 800m đến 1600m, tập trung chủ yếu ở Pù Nậm Mua, Pù Ban, Pà Pắn ở phía nam Bản Vịn và Pù Gió, Pù Ta Leo ở Quặn, Hang Cáu thuộc xã Vạn Xuân, có diện tích 1.050,50 ha, chiếm 4,0 % tổng diện tích tự nhiên của khu bảo tồn.
Kiểu rừng này ít bị tác động, còn giữ được tính nguyên sinh, độ tàn che đạt 0,7-0,8, có lâm phần có độ tàn che đạt 0,9. Thực vật chiếm ưu thế là cây lá rộng thuộc các họ Dẻ, họ Long Não, họ Thầu Dầu, họ Đậu, họ Ngọc Lan, họ Sến. Ở độ cao này, có sự phân bố của các loài hạt trần như Pơ mu (Fokienia hodginssi (Dunn) A. Henry & Thomas), Bách xanh (Calocedrus macrolepis Kurz), Sa mộc dầu (Cunninghamia konishii Hayata), Dẻ tùng sọc trắng (Amentotaxus argotaenia (Hance) Pilg.), Thông nàng (Dacrycarpus imbricartus (Blume) de Laub.) tạo ra một số lâm phần có kiểu rừng hỗn giao cây lá rộng và lá kim.
Các loài cây gỗ của kiểu rừng này có đường kính tương đối lớn, trung bình từ 25-30 cm, chiều cao bình quân từ 18-20m; tái sinh dưới tán rừng khá tốt, đạt từ 3.000-4.000 cây/ha, thành phần cây tái sinh cơ bản phù hợp với tầng cây mẹ, nên diễn thế rừng ổn định.
- Kiểu phụ thứ sinh nhân tác rừng kín thường xanh á nhiệt đới núi thấp sau khai thác: Kiểu rừng này có nguồn gốc từ kiểu rừng đã nêu ở trên nhưng đã bị khai thác chọn các loài cây có giá trị kinh tế cao, diện tích của kiểu rừng này là 1.589,40 ha chiếm 6,0% tổng diện tích tự nhiên của khu bảo tồn. Tầng cây gỗ vượt tán gần như bị khai thác gần hết, chỉ còn lác đác số lượng rất ít cây Pơ mu, Thông nàng. Tuy nhiên tầng tán chính vẫn chưa bị phá vỡ hoàn toàn, độ tàn che của rừng vẫn còn đạt 0,6-0,7. Trong tầng tán vẫn tồn tại một
quân của các loài cây gỗ đạt 20-25cm, chiều cao bình quân đạt 16-18m, vẫn có thể gặp các cây gỗ lớn trên 50cm của loài Sao mặt quỷ, hay loài Sến đứng riêng biệt, Cà lồ, một số loài Giổi… Tái sinh rừng tương đối tốt, đạt trên 6.000 cây/ha, trong đó cây có triển vọng đạt 2.000 cây/ha; các cây tái sinh chủ yếu cùng với loài cây mẹ.
- Kiểu phụ thổ nhưỡng rừng kín thường xanh á nhiệt đới núi thấp trên đất xương xẩu núi đá vôi: có diện tích 1.092,50 ha chiếm 4,2% tổng diện tích tự nhiên của khu bảo tồn nằm ở phía Nam, một phần ở phía Tây Nam của Bản Vịn và một diện tích nhỏ ở đỉnh Pù Ta Leo, xã Vạn Xuân; kiểu rừng này đã qua tác động của con người thông qua các hoạt động săn bẫy bắt động vật rừng, thu hái các loại đặc sản và các loài cây gỗ có giá trị kinh tế như Chò chỉ, Đinh… Tuy nhiên, do địa hình hiểm trở nên tác động của con người tới quần thụ này phần đã được hạn chế; rừng vẫn đảm bảo độ tàn che 0,5-0,6; thành phần thực vật vẫn thể hiện tính đặc trưng cho vùng núi đá vôi cao trên 800m với sự ưu thế của các loài thuộc họ Long não, họ Dâu tằm, họ Ô rô, họ Thầu dầu, họ Chè... trong đó phải kể đến các loài như: Bời lời xanh, Re lá bời lời, Rè, Sụ, Sồi lá bạc, Sâng, Dâu da... các loài cây hạt trần xuất hiện ở kiểu rừng này là Thông nàng với số lượng cá thể không nhiều. Tái sinh dưới tán rừng rất kém, thường chỉ gặp rất ít cây tái sinh dưới dạng cây mạ trong các hốc đá thuộc các loài trong họ Đa si, họ Chè, họ Thầu dầu; nguyên nhân tái sinh không tốt có lẽ do tầng đất mỏng, bị rửa trôi mạnh, cây mạ gieo hạt thường chỉ giữ được ở các hốc đá có đất bồi tụ, còn lại bị trôi theo dòng nước vào mùa mưa.
- Kiểu phụ thứ sinh nhân tác rừng kín thường xanh á nhiệt đới núi thấp phục hồi sau nương rẫy: có diện tích 1.670,70 ha chiếm 6,4% tổng diện tích tự nhiên. Kiểu quần thụ này cũng có nguồn gốc từ kiểu rừng kín thường xanh á nhiệt đới núi thấp, nhưng do quá trình làm nương rẫy đã mất đi tính nguyên thủy của nó. Kiểu rừng này phân bố ở các khu vực gần làng bản hoặc chòi làm
nương rẫy ở phía Nam Bản Vịn(xã Bát Mọt) và phía Nam Bản Khong (xã Yên Nhân). Đây là kiểu rừng non phục hồi lại trên đất đã mất hoàn toàn lớp phủ thực vật, đất vẫn còn tính chất đất rừng nên thực vật nhanh chóng xâm nhập sau khi đất bị bỏ hóa với các loài cây ưa sáng mọc nhanh với các loài cây như: Màng tang, Mò, Hu đay, Sau sau lào... Dưới tán các loài cây ưu sáng này xuất hiện tái sinh của các loài cây gỗ khác như Sến, Cà lồ, các loài trong chi Re...
- Kiểu phụ thứ sinh nhân tác hỗn giao giang hoặc nứa và cây lá rộng phục hồi sau nương rẫy á nhiệt đới núi thấp: diện tích 1.325,20 ha chiếm 5,0% tổng diện tích tự nhiên của khu bảo tồn. Đây cũng là kiểu phụ thứ sinh nhân tác sau nương rẫy có nguồn gốc từ kiểu rừng kín thường xanh á nhiệt đới núi thấp. Diễn thế của kiểu này chiều hướng có khác đối với kiểu trên. Cấu trúc rừng chủ yếu là loài Giang (Dendrocalamus patellaris) và rãi rác các cây lá rộng còn sót lại như Sến, Sao mặt quỷ, Dẻ, Bời lời... mật độ Giang đạt 1.850 cây/ha, đường kính bình quân 3,7cm, chiều dài bình quân 18m. Dưới tán rừng Giang tái sinh rất kém do Giang dày đặc, mặt đất thiếu ánh sáng, hạt giống cây gỗ khi rụng xuống bị mắc lại trên tán cây, không tiếp cận xuống mặt đất.
- Kiểu rừng kín thường xanh mưa ẩm nhiệt đới: Kiểu rừng này có diện tích 1.170,50ha chiếm 4,4% tổng diện tích tự nhiên của khu bảo tồn, phân bố ở độ cao dưới 800m ở phía Tây Nam Bản Vịn và phía nam Pù Hòn Hàn. Kiểu quần thụ này mới bị tác động nhẹ, căn bản vẫn còn giữ được tính nguyên sinh, thành phần thực vậy có mặt hầu hết các họ thực vật nhiệt đới ở Việt Nam. Tuy nhiên sự ưu thế của các loài và các ưu hợp thực vật rất khó xác định. Các họ thường gặp là họ Đậu, họ Thầu dầu, họ Long não, họ Cam, họ Hoa hồng, họ Xoan. Ở đây có đại diện của thực vật di cư từ phía Nam lên, đó là loài Sao mặt quỷ, đồng thời có mặt của các đại diện của luồng thực vật phía Tây Nam đến như: Chò xanh (họ Bàng) và một số loài rụng lá như Săng lẻ (họ Tử vi, Thung
chiều cao tới 25-30m thuộc các loài Sấu, Giổi, Gội, Quyếch; tình hình tái sinh khá tốt với nhiều loài cây có giá trị, cây tái sinh thường cùng loài với cây mẹ.
- Kiểu phụ thứ sinh nhân tác rừng kín thường xanh nhiệt đới sau khai thác:
Kiểu rừng này có diện tích 2.219,25 ha chiếm 8,4% tổng diện tích tự nhiên của khu bảo tồn, phân bố ở phía Đông đỉnh Pù Hòn Hàn và sườn Đông đỉnh Pù Gió; rừng bị tác động mạnh qua việc khai thác gỗ của những năm thuộc thập kỷ 90. Các loài cây gỗ lớn có giá trị bị khai thác chọn đến cạn kiệt như Lim xanh, Giổi, Re, Vàng tâm... trong lâm phần chỉ còn lại một số cây gỗ cong queo, sâu bệnh, các cây gỗ chất lượng xấu, giá trị thấp như Ngát, Đa si, Ràng ràng, Quyếch, Chẹo... Tán rừng bị phá vỡ nhiều nơi đã tạo điều kiện cho cây ưa sáng mọc nhanh như: Vạng, Lõi thọ, Ba soi, Ba bét... ven suối có các loài cây chất lượng gỗ xấu như: Sổ, Lộc mại... loài cây có giá trị là Chò nước (Platanus kerri) là có giá trị. Rừng vẫn có trữ lượng trung bình, chiều cao bình quân lâm phần đạt 16-17m, đường kính bình quân cây gỗ 20-25cm. Tái sinh dưới tán rừng tương đối tốt, đạt 6.000 - 7.000 cây/ha, số cây có chiều cao trên 3m đạt khoảng 2.000 cây/ha, nhìn chung khả năng tái tạo còn tốt.
- Kiểu phụ thứ sinh nhân tác rừng kín thường xanh mưa ẩm nhiệt đới phục hồi sau nương rẫy: có diện tích khá lớn 4.111,41 ha chiếm 15,6 % tổng diện tích tự nhiên của khu bảo tồn, phân bố ở gần làng bản hoặc nương rẫy ven suối. Kiểu rừng này có nguồn gốc từ rừng kín thường xanh mưa ẩm nhiệt đới, nhưng do quá trình đốt nương làm rẫy đã mất lớp thảm rừng nguyên sinh, sau đó được bỏ hóa nhiều năm và rừng non đã xuất hiện. Thảm thực vật rừng chủ yếu là các loài cây ưa sáng, mọc nhanh điển hình đó là Vạng, Màng tang, Bời lời giấy, Hu đay, ba soi... Rừng chỉ có một tầng, độ tàn che đạt 0,8, đường kính cây dưới 10cm, chiều cao bình quân đạt 6-7m, rừng chưa có trữ lượng. Dưới tán rừng thấy xuất hiện lác đác cây tái sinh của các loài cây gỗ tốt như Lim xanh, Gội, Trắc thối, Chua khế... kiểu rừng này có xu thế trở thành rừng gỗ.
- Kiểu phụ thứ sinh nhân tác hỗn giao giang hoặc nứa và cây lá rộng phục hồi sau nương rẫy và khai thác kiệt: có diện tích 2.051,15 ha chiếm 7,8 % tổng diện tích tự nhiên của khu bảo tồn, phân bố rãi tác trên toàn khu vực nhưng tập trung chủ yếu ở xã Xuân Liên, Xuân Mỹ cũ (nay thuộc xã Yên Nhân, Vạn Xuân, Lương Sơn). Kiểu rừng này có nguồn gốc gián tiếp từ kiểu rừng kín thường xanh mưa ẩm nhiệt đới là hậu quả của phát, đốt rừng làm nương rẫy hay khai thác kiệt. Thành phần thực vật chủ yếu là 2 loài Giang (Dendrocalamus patellaris) hoặc Nứa (Neohouzeana dilloa) và lác đác có cây lá rộng (Dẻ, Vạng, Lim xẹt, Lõi thọ, Ba soi...) còn sót lại. Giang có thể đạt tới mật độ 2.000 cây/ha, đường kính bình quân 3,5-4,0cm, chiều dài bình quân 18m; còn Nứa đạt tới mật độ 4.000 cây/ha, đường kính bình quân 5,5 cm, chiều dài bình quân 16 m. Đất dưới tán rừng tương đối tốt nhưng tái sinh của cây gỗ rất kém, do mật độ Giang, Nứa quá dày, thiếu ánh sáng và các hạt giống cây gỗ mẹ không lọt được xuống đất.
- Kiểu phụ thứ sinh nhân tác giang hoặc nứa thuần loại phục hồi sau nương rẫy: có diện tích 4.135,54 ha chiếm 15,7 % tổng diện tích tự nhiên của khu bảo tồn, phân bố rãi rác toàn khu vực thành những mảng lớn ven suối hoặc những vị trí đất ẩm. Đây là kiểu rừng hình thành của quá trình canh tác nương rẫy nhiều lần, cây gỗ không còn khả năng tái sinh nhanh như trước mà nhường chỗ cho Giang và Nứa thâm nhập, nhanh chóng lan rộng thành rừng kín thường xanh Giang hoặc Nứa thuần loài dày đặc. Các loài cây gỗ không có chỗ để tái sinh. ở kiểu rừng này Nứa có đường kính bình quân 4 cm, chiều cao bình quân từ 8-10m, mật độ 400 bụi/ha; Giang có đường kính bình quân 3,5-4cm, chiều dài bình quân 18-20m và có khá nhiều nhánh, mật độ bình quân 5.000-6.000 cây/ha.
một số khu vực thuộc xã Xuân Cẩm trồng thuần loài Keo tai tượng từ năm 1991 từ nguồn vốn 327 và 661.
- Trảng cỏ cây bụi thứ sinh nhân tác: có diện tích 2.860,31 ha chiếm 10,9 % tổng diện tích tự nhiên của khu bảo tồn, phân bố gần các làng bản, ven đường. Đây là hậu quả của quá trình canh tác nương rẫy lâu dài và chăn thả gia súc của người dân địa phương. Đầu tiên là lớp thảm cây gỗ bị chặt trắng và đốt lấy đất canh tác nương rẫy; sau nhiều lần như thế đất bị rửa trôi mạnh, tầng đất nông và xương xẩu, các loài cây thân thảo (Lau, Cỏ tranh, Cỏ may, Cỏ gà...) cây bụi (Sim, Mua, Chè vè...), Dương xỉ (Guột) phát triển mạnh, cây gỗ tái sinh không thấy.
- Đất ngập nước (tạm giao): có diện tích 2.828,60 ha nằm trọn trong lòng khu bảo tồn và chiếm 10,8 % tổng diện tích tự nhiên; đây là hệ sinh thái mặt nước thuộc lòng hồ của đập thủy lợi, thủy điện Cửa Đạt mà thành.