อุทยานแห่งชาติเฉลิมรัตนโกสินทร์เป็นพื้นที่ส่วนหนึ่งของผืนป่าตะวันตกที่คงความสมบูรณ์ตามธรรมชาติ สามารถจำแนกประเภทแบ่งออกได้เป็น 4 ประเภท ได้แก่ ป่าดิบเขา ป่าดิบแล้ง ป่าเบญจพรรณ และป่าเต็งรัง ในบริเวณที่เป็นสังคมพืชป่าดิบเขา พบบริเวณแนวเขาและยอดเขากำแพงที่ระดับความสูงประมาณ 1,000-1,257 เมตรจากระดับน้ำทะเลปานกลาง พันธุ์ไม้ที่สำคัญ เช่น ก่อเดือย ก่อแป้น ทะโล้ มะแฟน อบเชย กำยาน พญาไม้ หว้าเขา มะไฟ ตอง ฯลฯ พืชพื้นล่างได้แก่ หนามเค็ด เจ็ดช้างสาร เข็ม เร่ว กระวาน ผักกูด กูดห้อม หญ้าข้าวป่า และหญ้าคมบางเขา เป็นต้น ไม้เถาได้แก่ กระจับเขา จิงจ้อน้อย เมื่อย ข้าวเย็นเหนือ หวาย เป็นต้น และพืชอิงอาศัยที่พบได้แก่ กะเรกะร่อน เอื้องเข็ม ช้าง เอื้องกุหลาบ เป็นต้น สัตว์ป่าที่อาศัยอยู่ประจำได้แก่ ลิงกัง หมีหมา หมาไม้ พญากระรอกดำ เลียงผา นกแก๊ก นกกก และนกพญาไฟ

ในบริเวณหุบเขาที่มีหน้าดินลึก มีความชื้นสูง เช่น หุบเขาริมห้วยแม่พลู ห้วยแม่กระพร้อย ห้วยกระพร้อย และรอบยอดเขากำแพง ถัดจากป่าดิบเขาลงมาตั้งแต่ระดับความสูง 200 –1,000 เมตรจากระดับน้ำทะเลปานกลาง ถูกปกคลุมด้วยป่าดิบแล้ง ซึ่งมีพันธุ์ไม้ที่สำคัญได้แก่ ยางนา ยางแดง พระเจ้าห้าพระองค์ ปออีเก้ง ตาเสือ ข่อยหนาม ชมพูป่า ตาว ตะเคียนทอง ยมหิน ฯลฯ พืชอิงอาศัยเป็นกล้วยไม้ในสกุลหวาย สกุลช้าง กระแตไต่ไม้ นมเมีย ไข่มุก ข้าหลวงหลังลาย ชายผ้าสีดา และจุก โหรินี เป็นต้น ไม้เถาได้แก่ กระไดลิง สะบ้าลิง หวายขม สะแกเครือ หนามขี้แรด และสะแกวัลย์ เป็นต้น และพืชพื้นล่างที่พบได้แก่ เข็มดอกใหญ่ หัสคุณ กะตังใบ กระดูกค่าง เปราะหอม เร่ว ผักหนาม กล้วยป่า โจด แขม และหญ้าเทียน เป็นต้น เนื่องจากสภาพเรือนยอดของป่าประเภทนี้เรียงตัวต่อเนื่องชิดกัน ทำให้มีความชุ่มชื้น เป็นแหล่งที่อยู่อาศัยของสัตว์ป่าหลายชนิด เช่น ชะนีมือขาว ลิงกัง พญากระรอกดำ นกกก นกเขาใหญ่ นกเขียวก้านตองปีกสีฟ้า บริเวณพื้นป่าซึ่งเป็นที่ลุ่มหรือใกล้ร่องน้ำ หมูป่า และกวางป่า ใช้เป็นแหล่งปลักโคลนสำหรับนอนแช่ปลัก

สังคมพืชป่าเบญจพรรณพบปกคลุมพื้นที่อุทยานแห่งชาติมากที่สุด ตั้งแต่ระดับความสูง 300-1,000 เมตรจากระดับน้ำทะเลปานกลาง อยู่ระหว่างป่าดิบแล้งกับป่าเต็งรัง พันธุ์ไม้ที่สำคัญได้แก่ เสลา รกฟ้า แดง ชิงชัน กระบก ประดูป่า แคทราย งิ้วป่า เปล้าหลวง ฯลฯ พืชพื้นล่างได้แก่ ไผ่ซาง ไผ่ป่า ไผ่รวก ไผ่ไร่ ไผ่ผาก เข็ม กระตังใบ หนามเค็ด หัวกลัก เปราะป่า หนวดฤๅษี เป็นต้น เถาวัลย์และพืชอิงอาศัยที่พบได้แก่ หนามขี้แรด หนามเกี่ยวไก่ กล้วยไม้สกุลเข็ม กะเรกะร่อน หวาย และช้าง เป็นต้น สัตว์ป่าที่ใช้ประโยชน์ป่าเบญจพรรณเป็นที่อยู่อาศัยและแหล่งอาหารได้แก่ ช้างป่า หมูป่า เก้ง วัวแดง เม่นเล็กหางพอง เม่นใหญ่ กระต่ายป่า ไก่ป่า ไกฟ้าหลังเทา และนกหัวขวานชนิดต่างๆ เป็นต้น

สังคมพืชป่าเต็งรังมีพื้นที่น้อยที่สุดในอุทยานแห่งชาติ ปรากฏกระจายเป็นหย่อมๆ ตามบริเวณยอดเขาล้อมรอบด้วยป่าเบญจพรรณ ตั้งแต่ระดับความสูงจากน้ำทะเลปานกลาง 600-1,000 เมตร พันธุ์ไม้ที่สำคัญได้แก่ เต็ง รัง พะยอม เหียง พลวง มะขามป้อม พืชพื้นล่างได้แก่ ติ้วขาว เป้ง ปรง กระเจียว เปราะ ตาเป็ดตาไก่ เครือออน หญ้าเพ็ก และหญ้าคมบางเขา เป็นต้น ในบริเวณถ้ำธารลอดน้อยและถ้ำธารลอดใหญ่มีสัตว์ป่าที่อาศัยอยู่ เช่น นกเอี้ยงถ้ำ ค้างคาวหน้ายักษ์ทศกรรณ จงโคร่ง งูทางมะพร้าวลายขีด ผึ้งหลวง และลำธารที่ไหลลอดผ่านถ้ำมีปลาในกลุ่มปลาสร้อยเช่น ปลาซิว ปลาจาด ปลาซิวควายแถบดำ รวมไปถึงกุ้ง อาศัยอยู่อย่างชุกชุม ในบริเวณพื้นที่ส่วนที่เปิดโล่งติดกับป่าจะพบนกกระแตแต้แว้ด นกกระปูดใหญ่ และกบหนอง ส่วนในบริเวณพื้นที่ที่ใกล้กับหมู่บ้านและพื้นที่เกษตรกรรมจะพบ กวางป่า เก้ง หมูป่า นกปรอดหัวสีเขม่า นกอีเสือสีน้ำตาล นกตะขาบทุ่ง กิ้งก่าหัวแดง ตุ๊กแกบ้าน คางคกบ้าน เป็นต้น