เนื่องจากพื้นที่อุทยานแห่งชาติเขาหลวง มีพื้นที่ส่วนใหญ่ตั้งอยู่บนเทือกเขาสูง โดยอยู่สูงจากระดับน้ำทะเลปานกลาง ประมาณตั้งแต่ 100 เมตรขึ้นไปถึง 1,835 เมตร มีสภาพภูมิอากาศแบบคาบสมุทร มีฝนตกตลอดปี เนื่องจากพื้นที่เป็นภูเขาสูงทำให้ได้รับน้ำฝนจากมรสุมทั้งสองด้าน คือ ลมมรสุมตะวันตกเฉียงใต้ และลมมรสุมตะวันออกเฉียงเหนือ ทำให้ความชื้น และปริมาณน้ำฝนเฉลี่ยสูง พืชพรรณไม้ที่ขึ้นส่วนใหญ่จึงเป็นสังคมพืชป่าดงดิบชื้น (Tropical Rain Forest)หรืออาจเรียกว่าป่าดงดิบ เป็นป่าไม้ที่มีใบสีเขียวตลอดทั้งปี สภาพป่ารกทึบทั้งในเรือนยอดของไม้ใหญ่ และชั้นไม้พื้นล่าง ครอบคลุมพื้นที่ส่วนใหญ่ของอุทยานแห่งชาติทั้งหมด พันธุ์พืชซึ่งเป็นพืชประจำถิ่นที่สำคัญ และเป็นไม้ที่มีค่าที่สำคัญทางเศรษฐกิจ ส่วนใหญ่เป็นพืชในวงศ์ Dipterocarpaceae ได้แก่ ไม้ในตระกูลยาง (Dipterocarpus spp.) ตะเคียนทอง (Hopea odorata) ไข่เขียว (Parashorea stellata) ตะเคียนทราย (Shorea gratissima) สยาขาว (S. leprosula) กระบากดำ (S. ferinosa) กระบากขาว (Anisoptera costata) พันจำ (Vatica cinerea) นอกจากนี้ยังมีพันธุ์พืชในวงศ์อื่นๆ ได้แก่ หลุมพอ (Intsia palembanica) เอียน (Neolitsea zeylanica) เชียด (Cinnanomum iners) อบเชย(C. bejolghota) เทพทาโร(C. porrectum) จำปาป่า (Michelia champaca) สังโต้ง (Aglaia andamanica) แดงควน (Eugnia rhomboidea) ชุมแพรก (Hertiera javanica) เสียดช่อ (H. sumatrana) สุเหรียญ (Toona febrifuga) ยมป่า (Ailanthus triphysa) ยวน (Koompassia excelsa) ขมิ้นตอง (Horsfieldia grandis) และขุนไม้ (Podocarpus wallichianus)

สำหรับพันธุ์พืชที่หายากได้แก่ เต่าร้างยักษ์ (Caryota obtuse) รวมทั้งหวายชนิดต่างๆ ในสกุล Calamus ได้แก่ หวายหอม (Calamus javensis) หวายไม้เท้า(C. scipionum) หวายแส้ม้า (C. bousigonii) หวายกำพวน(C. longisetus) สกุล Daemonorops) ได้แก่ หวายขี้ไก่ (Deamonorops brachystachys) หวายจากจำ(D. grandis) หวายขี้เหร่(D. kunstleri) สกุล Korthalsia ได้แก่ หวายเถาใหญ่ หรือหวายแดง (Korthalsisa grandis) และหวายเถาหนู (K. rigida) นอกจากนี้มีไผ่สกุล Gigantochloa ได้แก่ ไผ่ผาก (Gigantochloa hasskarliana) ไผ่เกรียบ (G. Apus) และสกุล Schizostachyum ได้แก่ เมี่ยงไผ่ (Schzoatachyum blumei) และไผ่โป (S. brachycladum) เป็นต้นปัจจุบันเต่าร้างยักษ์ลดจำนวนลงอย่างมาก ซึ่งอาจจะสูญพันธุ์ไปในอนาคต เนื่องจากสภาพนิเวศน์เปลี่ยนแปลงไป นอกจากนี้ยังมีบัวแฉก (Dipteris conjugate) และบัวแฉกใบมน(Cheiropleuria bicuspis) ซึ่งเป็นเฟิร์นประจำถิ่นของอุทยานแห่งชาติเขาหลวง และพืชสำคัญที่เป็นพืชประจำถิ่นประเทศไทย พบเฉพาะถิ่นที่จังหวัดนครศรีธรรมราช ในเขตอุทยานแห่งชาติเขาหลวงคือ กุหลาบป่า (Rhododendron taiense)