Thảm thực vật rừng tại KBTTN Pù Luông được xác định là rừng kín thường xanh mưa mùa nhiệt đới. Dựa vào độ cao, chất đất nền và tác động của con người được chia ra làm 5 kiểu chính và 3 kiểu phụ thứ sinh nhân tác. Cụ thể như sau:
+ Rừng lá rộng đất thấp trên đá vôi: Phân bố ở độ cao dưới 700m trên các sườn và đỉnh núi đá vôi bị bào mòn mạnh, tập trung ở khu vực xã Cổ Lũng và xã Phú Lệ. Rừng có cấu trúc nhiều tầng tán, cây lá rộng. Aglaia sp., Anogeissus acuminata, Heritiera macrophylla là những loài cây điển hình tại những nơi ẩm ướt; trong khi Burretiodendron hsienmu và Millettia ichthyochtona là những loài phổ biến tại những sườn khô và dốc. Đôi khi, một số cây thuộc loài Anogeissus acuminata, Heritiera macrophylla và một vài loài thuộc chi Ficus đạt tới độ cao 50-55m với đường kính ngang ngực tới 2m và những rễ chống cao tới 3m.
+ Rừng lá rộng đất thấp trên đá phiến và đá cát: Phân bố từ độ cao 400- 700m. Kiểu rừng này trước đây phân bố rộng khắp trong khu bảo tồn, nhưng hiện nay chỉ còn sót lại ở chân các ngọn núi phía Bắc, tại khu vực xã Cổ Lũng. Những cây gỗ to lớn như Heritiera macrophylla và 2 loài thuộc chi Ficus cao tới 45-50 m là những cây điển hình, ưu thế. Các loài thực vật phụ sinh nhìn chung là phổ biến nhưng không đa dạng.
+ Rừng lá rộng núi thấp trên đá vôi: Phân bố rộng rãi ở khu vực xã Cổ Lũng và xã Phú Lệ từ độ cao 700- 950m. Kiểu rừng này mọc phần lớn ở các sườn núi cao và đường đỉnh núi đá vôi trong khu vực, chúng ít bị tàn phá hơn nhiều so với các kiểu rừng khác. Tầng cây gỗ có các loài như Eriobotrya bengalensis, Pistacia weinmanifolia, Platycarya strobilacea, Schefflera pes- avis và Sinosideroxylon wightianum, đặc biệt loài Thông nàng (Dacrycarpus imbricatus) khá phổ biến trên các sườn núi hướng Nam tại khu vực xã Cổ Lũng. Tầng cây bụi và cỏ phát triển rất mạnh.
+ Rừng thông núi thấp trên đá vôi: Phân bố ở một vài đỉnh núi thuộc khu vực xã Cổ Lũng. Pinus kwangtungensis là loài ưu thế, đặc trưng trong tầng tán của kiểu rừng này. Ngoài ra; ở một vài địa điểm Taxus chinensis là loài đồng ưu thế trong tầng tán. Thực vật sống bám rất phát triển, chúng nhiều vô số và thường phủ kín 100% bề mặt các thân cây và các hòn đá. Các loài lan như: Coelogyne fimbriata, Dendrobium dentatum, Epigeneium chapaense
và Eria thao xuất hiện khá phổ biến. Kiểu rừng này có tính nhạy cảm cao và rất dễ bị đe doạ tuyệt chủng.
+ Rừng lá rộng núi thấp trên đá bazan tại các sườn núi và đường đỉnh: Trong KBT, đá bazan chỉ có tại dãy núi Pù Luông, ở độ cao trên 900 m. Trước đây khu vực này được che phủ hoàn toàn bởi các khu rừng nguyên sinh. Hiện nay rừng nguyên sinh chỉ còn ở độ cao trên 1.200m, những sườn núi thấp hơn thì được che phủ bởi rừng thứ sinh có chất lượng khác nhau.
Kiểu rừng này có rất nhiều loài thực vật cổ xưa có từ thời kỷ phấn trắng muộn. Đó là các loài thuộc các họ: Actinidiaceae, Annonaceae, Chloranthaceae, agaceae, Hamamelidaceae, Lardizabalaceae, Lauraceae, Magnoliaceae, Menispermaceae và Theaceae cũng như một số chi hiếm thuộc ngành hạt trần như: Amentotaxus (Cephalotaxaceae), Cephalotaxus
(Cephalotaxaceae)và Nageia (Podocarpaceae). Kiểu rừng này có tính đa dạng thực vật rất cao và có cả yếu tố đặc hữu. (Furey, N. và Infield, 2005).
+ Rừng phục hồi sau khai thác: Kiểu phụ thứ sinh nhân tác. Kiểu phụ này phân bố rải rác trong khu bảo tồn và là sản phẩm của hình thức khai thác chọn. Bao gồm các trạng thái rừng: IIIA1, IIIA2.
+ Rừng phục hồi sau nương rẫy: Kiểu phụ thứ sinh nhân tác. Kiểu phụ này phân bố gần các khu dân cư, trước đây là nương rẫy nhưng đã được khoanh nuôi bảo vệ. Bao gồm các trạng thái rừng: IIA, IIB
+ Rừng tre nứa: Kiểu phụ thứ sinh nhân tác. Trước đây là kiểu phụ rừng phục hồi sau khai thác hoặc sau nương rẫy nhưng tầng cây gỗ không tái sinh, phát triển được do bị các loài tre nứa xâm lấn. Đến nay các loài tre nứa đã chiếm ưu thế.