ป่าน้ำหนาวเป็นป่าไม้ผืนใหญ่ติดต่อกัน ประกอบด้วยป่าหลายชนิด ป่าดิบชื้น พบบริเวณหุบเขาและริมลำห้วย ชนิดพันธุ์ไม้ที่พบได้แก่ ยาง ตะเคียนทอง มะหาด ยมหอม ฯลฯ พืชพื้นล่างเป็นหวาย และปาล์ม เป็นต้น ป่าดิบเขา พบขึ้นบริเวณยอดเขาที่มีความสูงจากระดับน้ำทะเลตั้งแต่ 800 เมตรขึ้นไป พันธุ์ไม้ที่ขึ้นบริเวณนี้ส่วนใหญ่เป็นก่อสกุลต่างๆ เช่น ก่อเดือย ก่อแป้น ก่อตาหมูน้อย ก่อตาหมูหลวง เป็นต้น ป่าเบญจพรรณ พบขึ้นตามไหล่เขาต่อจากป่าดงดิบทางด้านทิศตะวันตกของอุทยานแห่งชาติ และกระจัดกระจายเป็นหย่อมๆ ทางด้านตะวันออกของอุทยานแห่งชาติ พันธุ์ไม้ที่สำคัญได้แก่ ประดู่ แดง ตะแบก งิ้วป่า ยอป่า ชิงชัน ซ้อ เป็นต้น ป่าสนเขา พบในที่ประมาณ 700-900 เมตรจากระดับน้ำทะเล ลักษณะเป็นป่าโปร่งมีสนสามใบขึ้นปะปนอยู่กับป่าเต็งรัง พืชพื้นล่างส่วนใหญ่เป็นหญ้าคา พบบริเวณสวนสนภูกุ่มข้าว ดงแปก และที่ทำการอุทยานแห่งชาติ ป่าเต็งรัง เป็นป่าโปร่งขึ้นอยู่บริเวณที่แห้งแล้ง ความอุดมสมบูรณ์ของดินต่ำ หน้าดินตื้น เป็นกรวดหรือลูกรัง ทำให้ต้นไม้แคระแกร็น พันธุ์ไม้ที่สำคัญได้แก่ เต็ง รัง เหียง กราด รกฟ้า ฯลฯ พืชพื้นล่างส่วนใหญ่เป็นหญ้าเพ็ก และทุ่งหญ้า ประกอบไปด้วยหญ้าคา หญ้าเพ็ก มีพันธุ์ไม้ใหญ่ปะปนอยู่บ้าง เช่น ติ้ว กระโดน และแต้ว เป็นต้น 

เนื่องจากป่าส่วนหนึ่งเป็นป่าโปร่งสลับกับทุ่งหญ้าและป่าดิบ มีดินโปร่งและน้ำไหลผ่านตลอดปี จึงทำให้ป่านี้มีสัตว์ป่าอาศัยอยู่อย่างชุกชุม เช่น ช้างป่า กระทิง วัวแดง กวางป่า เก้ง เสือโคร่ง เสือดาว ค่าง หมีควาย หมีคน เลียงผา หมาป่า กระจง เม่น หมูป่า กระต่ายป่า ค้างคาวมงกุฎหูโตมาร์แชล ค้างคาวไอ้แหว่งน้อย เต่าปูลู และเต่าเดือย สำหรับช้างป่านั้นมีอยู่ทั่วไป ซึ่งเราจะเห็นกองมูลช้างที่ถ่ายไว้ริมทางหลวงอยู่เสมอ นอกจากนี้ ยังมีนกชนิดต่างๆ มากว่า 200 ชนิด ตามทางเดินในป่าจะพบนกสีสวยๆ อยู่เสมอ เช่น นกแก้ว นกขุนแผน นกหก นกพญาปากกว้าง นกเดินดง นกแต้วแร้ว นกโพระดก นกหัวขวาน นกเหงือก นกกระจ้อย นกกินแมลงชนิดต่างๆ ไก่ฟ้าพญาลอ และไก่ป่า เป็นต้น และยังมีความหลากหลายของผีเสื้อมากกว่า 340 ชนิด