สภาพป่าในอุทยานแห่งชาติภูพานประกอบด้วยชนิดป่าที่สำคัญ 3 ชนิด คือ

• ป่าเต็งรัง ป่าเบญจพรรณ และป่าดิบแล้ง ป่าเต็งรังพบขึ้นอยู่ตั้งแต่ตอนกลางของอุทยานแห่งชาติขึ้นไปจนถึงด้านทิศเหนือ ในระดับความสูง 200-400 เมตรจากระดับน้ำทะเลปานกลาง พันธุ์ไม้ที่สำคัญ ได้แก่ เต็ง รัง เหียง พลวง ตีนนก กว้าว แดง ส้าน ตานเหลือง หรือช้างน้าว กระโดน มะพอก ฯลฯ พืชพื้นล่างประกอบด้วย หญ้าเพ็ก ตะโกหิน พญาคชราช หรือ หูปอ ปรง พวงประดิษฐ์ รางจืด เป็นต้น
• ป่าดิบแล้ง พบขึ้นอยู่เป็นผืนใหญ่ตอนกลางค่อนไปทางทิศใต้ของอุทยานแห่งชาติ และเป็นหย่อมเล็กๆ กระจายอยู่ทางด้านทิศเหนือและทิศใต้ ในระดับความสูงตั้งแต่ 400 เมตรจากระดับน้ำทะเลปานกลางขึ้นไป ชนิดไม้ที่สำคัญได้แก่ เขลง นางดำ ก่อ กะพี้เขาควาย หว้า เปล้าหลวง ขนุนป่า แคหางค่าง เหมือด หมากมุ้ย ฯลฯ พืชพื้นล่างส่วนใหญ่เป็นลูกไม้และกล้าไม้ของไม้ชั้นบน เช่น ตีนตั่ง นางดำ รวมทั้ง เข็มขาว เข็มแดง เฟิน ไม้เถา เป็นต้น
• ป่าเบญจพรรณ พบขึ้นอยู่ทางตอนใต้ของอุทยานแห่งชาติ ชนิดไม้ที่สำคัญได้แก่ ตีนนก ติ้ว คางฮุ่ง แดง มะกอกเกลื้อน แสนคำ ประดู่ โมกมัน ตะแบก ฯลฯ ส่วนพืชพื้นล่างประกอบด้วย ลูกไม้ของไม้ชั้นบน มะเม่า ไผ่ หญ้าคา ไม้เถา เป็นต้น

สัตว์ป่าที่อาศัยอยู่ในอุทยานแห่งชาติภูพานมีไม่น้อยกว่า 162 ชนิด ประกอบด้วย ช้างป่า กวางป่า เก้งธรรมดา หมูป่า ค่างแว่นถิ่นเหนือ หมีหมา หรือ หมีคน ชะมดแผงสันหางดำ ลิงกัง อ้นเล็ก นากใหญ่ขนเรียบ กระจ้อน ค้างคาวขอบหูขาวกลาง นกยางไฟ เหยี่ยวรุ้ง นกกระทาทุ่ง นกกะปูดใหญ่ นกตะขาบทุ่ง นกปรอดสวน นกแซงแซวสีเทา นกเด้าดินทุ่ง ไก่ป่า คางคกบ้าน เขียดจะนา กบอ่อง อึ่งอ่างบ้าน จิ้งจกหางหนาม ตุ๊กแกบ้าน กิ้งก่าหัวแดง แย้ จิ้งเหลนหลากหลาย งูเขียวพระอินทร์ หรือ งูเขียวดอกหมาก งูสายม่านธรรมดา งูปล้องฉนวนลาว เป็นต้น และในบริเวณแหล่งน้ำพบปลาน้ำจืดหลายชนิดเช่น ปลาซิว ปลาตะเพียนทราย ปลาสร้อยนกเขา ปลากระสูบจุด ปลาก้าง หรือ ปลากั้ง ปลาดุกด้าน และปลากริม เป็นต้น