地质公园内动植物资源丰富，生长着木本植物850多种，野生动物达400多种。由于地史的原因，张家界世界地质公园所在区域在第四纪冰川期未被大陆冰川完全覆盖，因而成为植物在第四纪冰川期的避难所，使得许多古老孑遗植物得以延续下来，该区域也成为中国植物区系中最有代表的自然遗产存地之一。根据《中国珍稀濒危保护植物名录》的规定，园区境内共有国家保护植物57种，其中一级保护植物有珙桐等10种，二级保护的树种有钟萼木、白豆杉、巨紫荆、香果树、蓖子三尖杉、金钱槭等10多种，三级保护的有黄杉、檫木、白樟树等20余种。
此外，地质公园区自然条件差异大，植物的垂直分带明显，群落完整，生态稳定平衡，为野生动物提供了良好的栖息环境，成为野生动物的乐园。有云豹、红腹角雉等一级国家保护动物和大鲵、猕猴、穿山甲、大灵猫、林麝等二级保护动物。属国家一级保护的树种有珙桐等。
