Tài nguyên rừng của Khu bảo tồn Sao la được ghi nhận có tính đa dạng cao, chứa đựng nhiều kiểu sinh cảnh khác nhau. Thêm nữa, khu vực KBT nằm trong vùng ranh giới địa lý sinh vật giữa Bắc và Nam Việt Nam và giữa dãy Trường Sơn và vùng đồng bằng ven biển, do vậy các kiểu rừng chính trong KBT là rừng thường xanh mưa ẩm nhiệt đới núi thấp phân bố ở độ cao dưới 900 m và rừng thường xanh mưa ẩm Á nhiệt đơi núi thấp phân bố ở độ cao trên 900 m. Do hậu quả tác động của con người nhiều năm trước đây nên rừng còn lại hiện nay mặc dù được bảo vệ nghiêm ngặt nhưng vẫn còn mang dấu ấn khá rõ nét của sự tác động này. Thảm thực vật rừng bao gồm những kiểu rừng chính sau đây:

Kiểu rừng thường xanh mưa ẩm nhiệt đới ở độ cao dưới 900m:

Kiểu rừng này phân bố tập trung ở độ cao dưới 900 m, với các trạng thái rừng tiêu biểu như rừng thứ sinh sau khai thác kiệt (IIIA1), rừng thứ sinh phục hồi sau nương rẫy, rừng cháy và bị khai thác trắng (IC, IIA, IIB) và một số ít diện tích các trảng cỏ cây bụi mọc sau nương rẫy với các trạng thái (IA, IB).  Đặc điểm của kiểu rừng này là tầng cây gỗ cao tạo nên tầng tán chính của rừng với các loài loài cây trong họ Trám (Burseraceae), họ Trôm (Sterculiaceae), họ Thầu dầu (Euphorbiaceae), họ Na (Annonaceae), họ Đậu (Fabaceae) và họ Dẻ (Fagaceae) v.v. Tầng thảm tươi có đại diện của ngành Rêu (Bryophyta), Dương xỉ (Polypodiophyta) và Ngọc lan (Magnoliophyta).

Kiểu rừng này chịu tác động bởi chất độc hóa học trong thời gian chiến tranh, bị khai thác quá mức những cây gỗ lớn cũng như tình trạng đốt rừng làm rẫy nên phần lớn rừng còn lại là rừng thứ sinh sau khai thác và rừng phục hồi.

Kiểu rừng thường xanh mưa ẩm á nhiệt đới ở độ cao từ 900 m trở lên:

Kiểu rừng này có diện tích khá lớn và có đầy đủ các trạng thái rừng, phổ biến là trạng thái rừng IIIA1, IIIA2, rất ít trạng thái IIIA3 cùng một số diện tích nhỏ rừng IIA, IIB và đất trống IB, IC. Kiểu rừng này được hình thành một phần do ảnh hưởng của việc rải chất diệt cỏ và bom đạn trong chiến tranh cũng như đã bị người dân tác động mạnh trước đây như khai thác gỗ, phát rừng làm rẫy v.v. Do vậy một số diện tích rừng đã bị tổn hại đáng kể đặc biệt là nơi giáp ranh với các khu vực dân cư vùng đệm. Kiểu rừng này chứa nhiều loài cây gỗ có giá trị như: Trầm hương (Aquilaria crassna), Sồi duối (Quercus setulosa), Dẻ lỗ (Lithocarpus fenestratus), và Cau rừng (Areca sp.) các loài lan quý như Lan kim tuyến (Anoectochilus setaceus), Hoàng lan thủy tiên (Dendrobium amabile), Phương dung (Dendrobium devonianum), Thạch hộc (Dendrobium nobile Lindl) và Hồng nhung nam (Renanthera annamensis ), Song bột (Calamus poilanei) v.v.

Đa dạng thực vật rừng

Theo số liệu điều tra chưa đầy đủ, thảm thực vật rừng thuộc KBT Sao la cá tính đa dạng loài cao. Kết quả thống kê bước đầu cho thấy có tới 741 loài thuộc 177 họ, 33 bộ của 3 ngành thực vật khảo sát tại KBT là ngành Dương xỉ, ngành thực vật hạt trần và ngành thực vật hạt kín.

Bảng 14: Thống kê thành phần các loài thực vật KBT loài Sao la

TT Ngành thực vật Số bộ Số họ Số loài
1 Ngành Dương xỉ (Polypodiophyta) 11 27 181
2 Ngành thực vật hạt trần (Gymnospermatophyta) 3 6 22
3 Ngành thực vật hạt kín (Magnoliophyta) 19 144 538
Cộng 33 177 741

Khu hệ thực vật phong phú và đa dạng, thuộc hệ sinh thái rừng đặc trưng vùng đất thấp, có nhiều tầng tán với các loài cây gỗ lớn, quý hiếm điển hình như: Sến mật (Madhuca pasquiari), Trắc (Dalbergia cochinchinensis), Gụ lau (Sindora tonkinensis), Kiền kiền (Hopea pierrei), Giổi (Michelia mediocris), Hoàng đàn giả (Dacrydium pierei) v.v.Trong KBT có nhiều loại dược liệu quý: Bảy lá 1 hoa (Paris polyphylla Sm), Mật nhân (Eurycoma longifolia), Ba kích (Morinda cochinchinensis), Chè dây (Ampelopsis cantoniensis), Giảo cổ lam (Gynostemma pentaphyllum), Thổ tế tân (Asarum caudigerum), Trầm hương (Aquilaria crassna),  v.v.

Đa dạng động vật rừng

Do được đánh giá là khu vực có tính ĐDSH cao vì vậy từ năm 1996 khu vực này được nhiều nhà khoa học, đoàn khảo sát đến nghiên cứu. Các kết quả cho thấy tại đây đã ghi nhận được 445 loài động vật có xương sống trên cạn thuộc 87 họ, 40 bộ. Trong đó lớp Thú có 64 loài, lớp Chim có 135 loài, lớp Bò sát có 118 loài và lớp Ếch nhái có 128 loài.

Bảng 15: Thành phần loài động vật có xương sống trên cạn

TT Lớp Số bộ Số họ Số loài
1 Thú (Mammalia) 9 23 64
2 Chim (Bird) 9 29 135
3 Bò sát (Reptile) 2 24 118
4 Ếch, nhái (True Frog) 1 9 128
Cộng 21 85 445

Đặc biệt, một số loài động vật quý hiếm và đặc hữu trong khu vực mới chỉ được khoa học biết tới trong mấy thập kỷ gần đây như Sao la (Pseudoryx nghetinhensis) và Mang lớn (Muntiacus vuquanghensis)

Trong các loài thú được ghi nhận trên có 10 loài đặc hữu Đông Dương và đặc hữu khu vực rừng Trung Trường Sơn: Sao la (Pseudoryx nghetinhensis), Mang lớn (Muntiacus vuquanghensis) Mang Trường Sơn (Muntiacus truongsonensis), Voọc chà vá chân nâu (Pygathrix nemaeus) và Trĩ sao (Rheinardia ocellata). Thỏ vằn (Nesolagus timminsi), Gấu (Ursus malayanus; Ursus thibetanus), Sơn dương (Capricornis sumatraensis), Niệc mỏ vằn (Aceros undulatus) v.v.

Các nhóm loài động vật khác và côn trùng chưa được điều tra nghiên cứu.