En esta sierra se encuentran ecosistemas correspondientes a la provincia fitogeográfica de las Yungas y del distrito fitogeográfico del Chaco serrano.

El bosque chaqueño serrano, se encuentra al noroeste de la sierra, en la zona más seca. Se caracteriza por poseer un bosque con vegetación xerófila (con abundantes espinas) y caducifolia.

Las Yungas (selvas y bosques subtropicales de montaña) se encuentran en la ladera oriental de la sierra. Son características las plantas epífitas y las enredaderas. En el sotobosque abundan los helechos y otras especies herbáceas y por debajo un espeso colchón de mantillo vegetal cubre el suelo. Según la altitud pueden diferenciarse dos ambientes de vegetación:

Las Selvas montanas se desarrollan entre los 600 mnsm y 1500 msnm. Corresponden a los sectores de Yungas más exuberantes y con mayor diversidad de especies. La selva es cálida y húmeda, con árboles que, en su mayor parte, conservan su follaje todo el año, con abundantes plantas epífitas (musgos, helechos, begonias, bromelias y orquideas). Se pueden reconocer al menos dos estratos árboreos:

Selva basal, o “selva de tipa y laurel” entre los 600 y los 1000 msnm.

Selva de mirtáceas (hasta los 1500 msnm), llamadas así por la abundancia de plantas de esta familia como el horco molle, y el arrayán.

Los Bosques montanos, se extienden desde los 1500 msnm hacia arriba, por encima de las selvas montanas. Se caracteriza por la presencia de bosques monoespecíficos de aliso y de pino del cerro. En la sierra de San Javier, estos últimos se encuentran concentrados en dos grandes zonas, entre los 1500 y los 1700 msnm aproximadamente. Constituyen una formación con un sólo estrato arbóreo, muy denso, cuyas copas se desarrollan hasta los 15 ó 20 m. de altura.

Los pastizales, que encontramos en la región cumbral, dominados por gramíneas son, aparentemente, de origen antrópico (fuego, pastoreo, desmontes). Se encuentran en sectores en donde el bosque montano fue destruido por el hombre antes de la creación del área protegida.

En algunos sectores de la sierra, existen, fragmentos de bosques secundarios que surgen a partir de la recuperación natural de antiguas plantaciones abandonas, especialmente en la zona pedemontana y en la periferia del área protegida.

La biodiversidad de la Sierra es comparativamente menor que en otras áreas protegidas de las Yungas de Argentina. Esto se debe a que la Sierra de San Javier está ubicada en el extremo sur de esta provincia biogeográfica, a su menor desarrollo altitudinal y a su superficie comparativamente menor que las principales cadenas montañosas. Sin embargo, el amplio espectro de ambientes que ofrece facilita el desarrollo de una elevada variedad de especies.