Thảm thực vật rừng Khu Bảo tồn Thiên nhiên Pù Luông, tỉnh Thanh Hóa được xác định với 5 thảm chính là: Rừng mưa nhiệt đới lá rộng thường xanh đất thấp; rừng mưa nhiệt đới lá rộng thường xanh trên núi đá vôi thấp; rừng mưa nhiệt đới lá rộng thường xanh núi đất thấp đá phiến; rừng mưa nhiệt đới lá kim thường xanh trên núi đá vôi thấp; rừng nhiệt đới lá rộng thường xanh trên núi đá bazan. Trong đó rừng mưa nhiệt đới lá rộng thường xanh trên núi đá vôi thấp với diện tích lớn nhất, chiếm 31,28% diện tích toàn khu bảo tồn. Thảm thực vật Pù Luông được phân chia thành 3 đai cao dưới 700 m, 700- 1.400 m và trên 1.400 m. Thảm thực vật rừng Pù Luông không những có sự khác nhau về số lượng loài và thành phần loài thực vật mà còn có sự khác nhau về chỉ số đa dạng sinh học. Ở đai cao trên 1.400 m chỉ số đa dạng sinh học Simpson cao nhất và cao hơn các đai còn lại. Thành phần thực vật ở các đai độ cao khác nhau thì khác nhau, ở đai cao trên 1.400 m thành phần thực vật đặc trưng cho các loài thực vật á nhiệt đới rất rõ ràng.