桃花源国家森林公园位于中亚热带北缘湘鄂川山地植被区和江汉洞庭湖鄱阳湖平原植被区的过渡地带。桃花源主体景区森林覆被率70%以上。桃花源沅水风光带两岸森林覆被率50%以上。森林树木以松、杉、栲、青冈栎、檫、枫香、杜英、毛竹、桂竹为主。桃花源主体景区嶂山、黄闻山一带，遗存的亚热带常绿阔叶林天然次生林，颇为典型。其一，树种结构比较复杂。有木本植物446种，为莽山国家森林公园的62.3%、南岳风景名胜区的79%、张家界国家森林公园的86.4%、岳麓山风景名胜区的145.7%、国有桃源牯牛山林杨的132.3%。自然分布衡山青冈、厚皮香、红果猴欢喜、大叶栎、斛栎等树种。其二，植物层次比较丰富。从苔藓到高大乔木，垂直分布达16层以上。其三，热带季雨林根象零星出露。冬桃板根高数十厘米。柳杉气根长10多厘米。其四，暖生湿生植物充盈山谷。西双版纳代表植物海芋在此有自然分布，高2—3米。石菖蒲、吉祥草、翠云草铺山卷地。胶股兰、灵芝菌、方竹生长良好。其五，历史记录的古树根大数十围。常德《旧郡志》载：“桃川宫旁有梧桐树，根大数十围，（中空处）可坐十余人”。

民国二十年（1931）《湖南各县物产调查笔记》载：桃源县常见野兽有狐、兔、狸、獾、鹿、山羊、虎、豹，常见鸟类有雉、鸠、鸦、雀、翠鸟、竹鸡、画眉、猫头鹰等。1955年，水溪村民在桃川宫遗址捕获云豹一只。1964-1965年，华南虎为患桃源南乡，死伤10余人。1968—1969年，国有桃花源林场职工燕金枝、邬昌海，先后发现桃花观、水源亭一带有巨蛇。它戏水时水花高溅数尺，人莫敢近。1986-1988年，经桃源县林业科学研究所考察，桃花源主体景区常见成群野生哺乳动物有黄麂、果子狸、香狸、花面狸、黄鼬、竹鼠、野兔、刺猬、野猪、猪獾、鼠、蝙蝠等15种以上，有锦鸡、环颈雉、竹鸡、斑鸠、猫头鹰、猴头鹰、红嘴兰鹊、大山雀、八哥、乌、画眉、凫、乌鸦、喜鹊、麻雀、啄木鸟等30种以上，有龟、蛇等爬虫类15种以上，有青蛙、雨蛙、蟾蜍等两栖动物12种以上。1988—2002年，嶂山谷地相继发现观赏价值很高的六眼龟（其中4只假眼突）、小金龟、有新闻见于报端。1990年以来，五柳湖岸、水溪桥头多次出现娃娃鱼，大者10—15公斤。1995—1997年，黄闻山猕猴为患粮果，村民持火枪追吓不止。1999年，黄闻山奇观台下，五步蛇出露。是年，骚人冲（今秦城街内西）出露1条两头蛇。