อุทยานแห่งชาติภูผาเหล็กเป็นป่าที่มีสภาพอุดมสมบูรณ์ ประกอบด้วย

• ป่าเต็งรัง พบบนพื้นที่ราบเชิงเขาและบนที่ลาดชันจนถึงระดับความสูงประมาณ 500 เมตรจากระดับน้ำทะเล พันธุ์ไม้ที่พบได้แก่ เต็ง รัง เหียง พลวง ประดู่ป่า ตะแบกเลือด รกฟ้า มะค่าแต้ ติ้ว ยอป่า ฯลฯ พืชพื้นล่างประกอบด้วยหญ้าเพ็กแทรกด้วยไม้พุ่ม และพืชล้มลุก
• ป่าเบญจพรรณ ครอบคลุมพื้นที่มากที่สุดในอุทยานแห่งชาติ พบตั้งแต่บนพื้นที่ราบเชิงเขาและที่ลาดชันตามไหล่เขาจนถึงระดับความสูง 600 เมตรจากระดับน้ำทะเล พันธุ์ไม้ที่พบได้แก่ ชิงชัน แดง ประดู่ กระบก มะกอก งิ้วป่า มะค่าโมง กระโดน โมกมัน มะขามป้อม ฯลฯ พืชพื้นล่างประกอบด้วยไผ่รวก ไผไร่ ไผ่ซางหม่น หนามคณฑา สังกรณี ผักหวานป่า เป็นต้น
• ป่าดิบแล้ง พบตามฝั่งลำธารของหุบเขาที่มีความชุ่มชื้น พันธุ์ไม้ที่พบได้แก่ ยางแดง หว้า มะม่วงป่า พญาสัตบรรณ ตาเสือ มะไฟ ก้านเหลือง ฯลฯ พืชพื้นล่างเป็นพวกหวาย ปาล์ม และสมุนไพรต่างๆ ตามบริเวณลานหินทางขึ้นภูผาเหล็กความสูงประมาณ 400-550 เมตรจากระดับน้ำทะเล จะมีสภาพเป็นป่าโปร่ง ไม้ยืนต้นที่ขึ้นจะแคระแกร็น ส่วนใหญ่มีใบหนา ที่พบทั่วไปได้แก่ สารภีดอย ทะโล้ สะเม็ก ก่อ ไม้พุ่มเช่น ส้มแปะ เม้าแดง ตามลานหินมีพืชพวกจำพวกไลเคน ฟองหิน เอื้องคำหิน ม้าวิ่ง เขากวาง ดาวเรืองภู ต่างหูขาว เนียมดอกธูป หญ้าหัวเสือ หางเสือลาย แววมยุรา หญ้าข้าวก่ำ กระดุมเงิน สาหร่ายข้าวเหนียว และดุสิตา

สัตว์ป่าที่พบ เห็น ได้แก่ เก้ง ลิงกัง กระต่ายป่า กระแต หนูหริ่ง ตุ่น เม่น พังพอน อีเห็น เหยี่ยวรุ้ง นกเขาเปล้า นกกระปูด นกตะขาบทุ่ง นกโพระดก นกขมิ้น นกปรอดก้นแดง นกแซงแซวสีเทา นกจาบดินอกลาย ตุ๊กแก จิ้งจกป่าสีจาง เต่าเหลือง งูทางมะพร้าว งูเห่า งูจงอาง งูเขียวหางไหม้ อึ่งอี๊ดหนังลาย อึ่งอี๊ดเทาจุดดำ เขียดท้ายทอยดำ เขียดหนอง คางคก กบหมื่น และปาดนิ้วแยกลาย เป็นต้น