อุทยานแห่งชาติทับลานมีสังคมพืชที่จัดเป็นป่าลุ่มต่ำที่มีความสมบูรณ์มาก จัดเป็นสังคมพืชที่มีการซ้อนทับกันของลักษระทางนิเวศของป่าภาคกลางและป่าภาคตะวันออกเฉียงเหนือ มีความหลากหลายของชนิดพันธุ์ไม้และสัตว์ป่าชุกชุม

• ป่าเต็งรัง ในพื้นที่อุทยานแห่งชาติทับลานมีสภาพเป็นป่าโปร่ง ขาดแคลนแหล่งน้ำ มีต้นไม้ขึ้นกระจัดกระจายทั่วพื้นที่และมักจะมีลำต้นเล็กและเตี้ย พืชพื้นล่างเป็นพวกหญ้าเพ็ก หญ้าคา และสาบเสือ พันธุ์ไม้ที่สำคัญ เช่น เต็ง รัง เหียง พลวง ฯลฯ
• ป่าเบญจพรรณ จะมีไม้ต่างชนิดขึ้นปะปน และจะพบไผ่ขึ้นปนมากมาย มีพันธุ์ไม้ที่สำคัญ เช่น แดง ตะแบกใหญ่ ประดู่ มะกอก ชิงชัน ฯลฯ พืชพื้นล่างที่สำคัญ เช่น ไผ่กาย โด่ไม่รู้ล้ม เป็นต้น ป่าผลัดใบเหล่านี้ในช่วงฤดูฝนไม้พื้นล่างจะผลิใบอ่อนเป็นแหล่งอาหารสำคัญของสัตว์กินพืช ได้แก่ ช้างป่า กระทิง วัวแดง กวางป่า และนกที่อาศัยพื้นที่นี้ได้แก่ ไก่ป่า เหยี่ยวนกเขาชิครา นกแขกเต้า นกหัวขวาน สัตว์เลื้อยคลานที่พบได้แก่ตะกวดและแย้เป็นต้น
• ป่าดงดิบชื้น พบขึ้นอยู่ทั่วไปในพื้นที่ที่สูงจากระดับน้ำทะเล 400–1,000 เมตร
• ป่าดงดิบแล้ง จะพบขึ้นอยู่บนพื้นที่ค่อนข้างราบ ไม้ที่พบโดยทั่วไปได้แก่ ยางนา ยางแดง เป็นต้น จากลักษณะเรือนยอดที่ต่อเนื่องกันนั้นจึงเป็นแหล่งที่อยู่อาศัยของชะนีมือขาว ชะนีมงกุฎ ค่างเทา หรือ ค่างหงอก ลิงกัง พญากระรอกบินหูแดง และจากสภาพป่าที่มีความรกทึบเป็นที่หลบพักและซ่อนตัวของสัตว์ใหญ่ เช่น ช้างป่า กระทิง นกป่าที่หากินและดำเนินกิจกรรมอยู่ในพื้นที่ ได้แก่ ไก่ฟ้าพญาลอ ไก่ฟ้าหลังขาว นกมูม นกลุมพู นกเค้าเหยี่ยว นกเงือกกรามช้าง นกแก๊ก นกกก นกพญาปากกว้างสีดำ นกพญาปากกว้างหางยาว นกขุนแผนหัวแดง และนกขุนทอง สัตว์เลื้อยคลานที่พบ ได้แก่ ตะกวด เต่าใบไม้ หรือ เต่าแดง เต่าเหลืองหรือเต่าเทียน และตะกองเป็นต้น

นอกจากนี้ อุทยานแห่งชาติทับลานยังมีป่าอีกชนิดหนึ่งซึ่งถือเป็นประเภทป่าผลัดใบ ป่าชนิดนี้เรียกว่า "ป่าลาน" สภาพจะเป็นป่าโปร่ง มีลานขึ้นอย่างหนาแน่นทั่วพื้นที่ ป่าลานนี้มีเนื้อที่ 200 ไร่ บริเวณที่ราบบนเขาละมั่ง ด้านตำบลบุพราหมณ์ อำเภอนาดี จังหวัดปราจีนบุรี ไม้ลานเป็นพืชในตระกูลปาล์ม (Palmae) บริเวณป่าลานและป่ารุ่นเป็นแหล่งที่อยู่อาศัยของสัตว์ป่าที่สามารถปรับตัวอยู่ในสภาพแวดล้อมต่าง ๆ ได้แก่ กระรอก หนู กระต่ายป่า พังพอน เก้ง กวางป่า เหยี่ยวขาว นกคุ่มอกลาย กิ้งก่าหัวแดง ตุ๊กแกบ้าน กิ้งก่าหางยาว อึ่งอ่างบ้าน และคางคกเป็นต้น

ต้นลานเมื่ออายุได้ประมาณ 60 ปี จะมีต้นสูงใหญ่ราว 10 เมตร และจะออกดอกเพียงครั้งเดียวในชีวิต หลังจากนั้นต้นลานจะตายลง และให้เมล็ดที่ร่วงลงมาขึ้นเป็นต้นใหม่แทน โดยเมื่อช่วงเดือนสิงหาคม–กันยายน พ.ศ. 2552 ต้นลานได้ออกดอกเป็นจำนวนมากกว่าปีอื่น เชื่อว่าอีกหลายปีจึงจะพบเห็นปรากฏการณ์เช่นนี้อีก

บริเวณเขาหินปูน ถ้ำ หน้าผา ซึ่งได้แก่บริเวณเขาละมั่ง เขาวง และภูสามง่าม เป็นแหล่งที่อยู่อาศัยและที่กำบังภัยของสัตว์ป่าบางชนิด เช่น เลียงผา เม่นหางพวง ค้างคาว บริเวณแหล่งน้ำ ห้วย ลำธาร เป็นย่านที่อาศัยของสัตว์ป่าบางชนิด ได้แก่ งูปลิง กบหงอน เขียดอ่องเล็ก นกยางไฟธรรมดา นกยางเขียว นกกระเต็นน้อยธรรมดา นกกระเต็นใหญ่ธรรมดา และนกกระเต็นลาย ปลาน้ำจืดที่พบ เช่น ปลาชะโอน ปลาดุกเนื้อเลน ปลากระสง ปลาดัก ปลากระทิงดำ