Số lượng STT Ngành Họ Chi Lồi 1 Thơng đất - Lycopodiophyta 2 3 11 2 Mộc tặc - Equisetophyta 1 1 1 3 Dương xỉ - Polypodiophyta 26 60 123 4 Thông - Pinophyta 5 7 9 5 Mộc lan - Magnoliophyta 146 549 998 Tổng 180 620 1142
(Nguồn: Tổng hợp ñiều tra, lập danh lục khu hệ ñộng, thực vật rừng Khu bảo tồn thiên nhiên Xuân Liên, tỉnh Thanh Hoá)
Đặc biệt, Khu BTTN Xuân Liên với trên 5.000 ha rừng nguyên sinh còn là nơi phân bố tập trung của 2 loài cây hạt trần quý hiếm đó là Pơ mu (Fokienia hodginsii) và Sa mu (Cunninghamia lanceolata), với trên 1.000 năm tuổi, đường kính lên tới 4,5 m. Đây là 2 cây Di sản ñầu tiên được cơng nhận tại tỉnh Thanh Hóa.
Gần đây trong q trình điều tra hệ ñộng, thực vật rừng tại Khu bảo tồn thiên nhiên Xn Liên các nhà khoa học đã phát hiện lồi thực vật mới chưa từng ñược ghi nhận trên thế giới. Lồi này được đặt tên là Aristolochia xuanlienensis thuộc họ Nam mộc hương (Aristolochiaceae). Cũng trong q trình điều tra sự ña dạng sinh học, các nhà khoa học cũng phát hiện 3 lồi thực vật chưa từng được ghi nhận tại Việt Nam gồm: Lữ ñằng ñứng Lindernia megaphylla P.C, Thuỷ thảo trắng Kailarsenia lineata R.Br và Song quả lá bắc tím Didymocarpus pupureobracteatus Smith.
- Hệñộng vật rừng
Hệ ñộng vật Khu BTTN Xn Liên có tính đa dạng sinh học tương ñối cao. Khu hệ ñộng vật ñã ghi nhận ñược 1.631 lồi động vật hoang dã thuộc 209 họ, 38 bộ, 4 lớp, gồm có: 80 lồi thú (26 họ, 9 bộ), 192 loài chim (41 họ, 15 bộ), 41 lồi bị sát (11 họ, 2 bộ), 36 loài lưỡng cư (7 họ, 2 bộ), Cơn trùng 1.282 lồi (124 họ, 10 bộ). Xác định có 64 lồi động vật quý hiếm.