Современный растительный покров заповедника – темнохвойная пихтово-еловая тайга. На юго-восточной окраине на склонах гор Липовый Сутук, Малый Сутук и Большой Сутук и отчасти на южных склонах горы Кулики хорошо сохранились нетронутые первобытные смешанные леса – краса и гордость заповедника. Среди них наиболее характерны пихтово-еловые с примесью липы, а также пихтово-еловые крупнопапоротниковые с примесью осины и березы. Эти леса темные, мрачные, замшелые. Местами они похожи на черневую тайгу Саян. Возраст коренных типов (естественных, девственных) еловых лесов с примесью кедра, липы, березы и осины не менее 12 000 – 10 000 лет. Наибольшая примесь широколиственных пород (липы, ильма и, возможно, лещины) относится ко второй половине периода послеледникового потепления (7500 лет назад). В последующее время по мере похолодания климата широколиственных деревьев стало значительно меньше.
В первом ярусе наряду с пихтой и елью нередок кедр. Подлесок и подрост обычно выражены слабо, так как из-за сомкнутости крон здесь мало света. Травяной покров довольно беден по составу, но высокий и густой (вейник, борец, сныть). Основу его составляют высокие папоротники – щитовник австрийский (высота 0,8 – 1 м), кочедыжник городчатый (0,3 – 0,5 м) и телиоптерис буковый (до 1 м); в напочвенном покрове много зеленых и листостебельных мхов. Здесь же можно встретить отдельные экземпляры крупных старых лип – наследников былой теплолюбивой эпох доледникового времени, хотя обычно липа растет либо в виде дерева второй величины, либо в виде кустарника, формируя довольно густой подлесок.
На большей части заповедника, в полосе развития осадочных горных пород и менее влажного климата, распространены сосновые и лиственнично-сосновые леса, местами с большой примесью березы и осины. На долю сосняков приходится 3,3%, лиственничников – 0,1%. Наиболее типичны разнотравные ассоциации этих лесов. Разнотравные сосняки и сосново-березовые леса покрывают горы от подножия до вершины, тогда как в межгрядовых понижениях значительна примесь березы и осины. Широко развит молодой березняк в местах, где, начиная с XVIII в., проводились концентрированные рубки.
Березовые и осиновые леса в заповеднике занимают значительную площадь. Сильно разреженные, светлые березовые леса паркового типа, где возраст берез достигает 120 – 150 лет, растут по склонам и на вершине горы Кулиги.
В пределах заповедника хорошо выражена высотная поясность почв и растительности, хотя горы и невысоки.
В долинах, по берегам рек, распространены елово-березовые заболоченные леса (согры) или приручьевые ельники. Местами они чередуются с красочными луговыми полянами. На некотором расстоянии от русла или в менее глубоких понижениях развиваются кедрово-еловые хвощево-сфагновые леса. Несколько выше, на высоте от 300 до 350 м, на местах относительно застойного увлажнения, развиты ельники-зеленомошники или елово-кедровый лес с хвощами и зелеными мхами. Флора мхов насчитывает 68 видов. В мелкотравно-зеленомошных ельниках мхи представлены такими видами, как гилокомиум блестящий, плевроциум Шребера, кукушкин лен, птилиум гребенчатый. В хвощово-сфагновых ельниках преобладают сфагнумы - узколистный и Руссова, мниум морщинистый, аулакомиум болотный, а на кочках - сфагнум Варнсторфа.
Средние и верхние части склонов занимают пихтово-еловые липняковые леса. На высотах более 550 м преобладает пихтово-еловая «чернеподобная» крупнопапоротниковая тайга, но уже без липы. Ель обычно и образует в заповеднике верхнюю границу леса.
Замечательной особенностью заповедника является то, что на его территории проходит зона гибридизации елей - сибирской и европейской, а также находится юго-западная граница сплошного распространения кедра (сосны сибирской). Сохранившиеся в зоне температурного оптимума липа и ильм, остатки третичных неморальных лесов, находятся здесь на высотно-поясном и широтно-зональном пределе своего ареала. Вместе с этими древесными породами несомненный интерес представляет группа травянистых неморальных реликтов, в числе которых - цицербита уральская, медуница неясная, копытень европейский - всего более 20 видов. В настоящее время эти растения характерны для европейских широколиственных лесов.
Из растений, упомянутых в книге «Редкие и исчезающие виды флоры СССР» (1981), в заповеднике растут редкие на Урале ирис сибирский, пион уклоняющийся, лилия кудреватая, ветреницы - уральская и отогнутая, короставник татарский. Из регионального списка редких растений (Горчаковский, Шурова, 1982) здесь встречаются 34 вида, в том числе любка двулистная, тайник сердечный, ладьян трехнадрезный, воронец колосистый, валериана волжская, хохлатка Галлера, щитовник мужской, многоножка обыкновенная, вудсия эльбская.
В списке лишайников 120 видов. Грибов (агариковых и афилофоровых) только в коренных пихто-ельниках насчитывается 187 видов из 18 семейств и 65 родов.
Вдоль ручьев формируются ельники приручьевого типа с примесью пихты, кедра, березы, реже сосны. Во втором ярусе преобладает ольха серая. Густой подрост состоит из черемухи, смородины, кустарниковых ив, шиповника, малины. В травяном покрове господствуют лабазник вязолистный, недоспелка копьевидная, борец высокий, вейник пурпурный, дудник лесной, крапива двудомная, встречаются осоки, калужница болотная, гравилат речной. Ельники хвощово-мелкотравного типа занимают слабопроточные участки надпойменных террас, днища котловин и межгорные депрессии. В еловом древостое есть примесь кедра, пихты, березы. Именно в таких местах отмечены «кедровники», фактически ельники, в которых запас древесины кедра превышает 30%. В подросте встречаются ель, кедр, пихта, иногда стланиковой формы. В довольно редком подлеске преобладают рябина, черная смородина, можжевельник, шиповник. Фоновыми видами напочвенного покрова являются хвощ лесной, голокучник трехраздельный, кислица обыкновенная, седмичник, линнея северная, осоки, кукушкин лен. Вторичные насаждения представлены березняками.
По степени сохранности (или нарушенности) леса представлены следующими динамическими категориями: около 1000 га (8%) - первобытная горная тайга; около 5000 га (до 40%) - мелколиственно-хвойные насаждения (условно-коренные и субкоренные леса) и более половины лесопокрытой площади занимают коротко-, длительно - и устойчиво-производные насаждения.
Луга занимают площадь всего 438 га (3% территории) и образовались на месте лесов, сведенных под покосы и пашни (Радчено, 1982). Наиболее старые луга имеют возраст около 300 лет. Большая их часть образовалась 180-200 лет назад, в период интенсивного освоения Урала, наиболее молодые имеют возраст 100-120 лет. Максимальной площадь лугов была, по-видимому, в конце прошлого века. Сейчас луга большей частью зарастают, а те, что продолжают использоваться для собственных нужд заповедника (всего около 100 га), имеют характер настоящих лесных суходольных лугов - еланей, преимущественно разнотравно-злаковых. Первичными можно считать лишь небольшие поляны субальпийского характера на западном склоне г. Бол. Сутук, где доминируют горец альпийский и вейник тростниковидный. Эти сообщества образовались в местах скопления мощных снеговых масс, где подавляется древесная растительность. Кроме того, первичными являются таволговые и таволгово-вейниковые луга на прирусловых валах р. Сулём и канареечниковые луга - на ее островах.
Флора лугов при небольшой их площади достаточно разнообразна: отмечено 239 видов высших сосудистых растений 49 семейств и 161 рода. Среди них преобладают луговые растения (89 видов), довольно много лесных (58), лугово-лесных (17), болотных и лугово-болотных (37), сравнительно мало синантропных (19) и лугово-степных (5) видов. Продуктивность лугов невелика - от 5 до 20 ц/га, что связано с условиями увлажнения и почвенного питания.
Болота изредка встречаются среди заболоченных лесов в пойме р. Сулём. Основные их типы: осоковые, вахтово-осоковые, вейниково-вахтово-осоковые. По рекам, на галечниковых перекатах, встречаются заросли белокопытника гладкого. В более глубоких местах развиты заросли рдеста пронзеннолистного и элодеи канадской.
Следует отметить, что в территорию заповедника не вошли такие своеобразные участки, как скальные обнажения на г. Старик-Камень, г. Боровой, по р. Сулём ниже д. Бол. Галашки. Таким образом, реликтовая петрофитная флора Среднего Урала заповедным режимом не охраняется. Многие виды, отмеченные Н.М. Грюнер в бывшем заповеднике Висим на перечисленных выше участках, на современной территории не встречаются, и среди них - гвоздика иглистая, щиверекия подольская и некоторые другие.
Первобытная тайга с комплексом реликтовой третичной флоры очень интересна в научном отношении. Сохранение участка первобытных темнохвойных лесов среди горнопромышленного Урала имеет и большое познавательное значение. Так как лесов, подобных этим, в близком расстоянии к Екатеринбургу и Нижнему Тагилу нигде нет.
Животный мир заповедника типично таежный, по составу фауны преимущественно западносибирский. Здесь спокойно чувствуют себя лоси и зайцы, барсук и лисица, бурые медведи, куницы, белки. В тихих уголках близ рек можно увидеть и выдру. Нередки волк и рысь, которые выполняют роль санитаров. В заповеднике начата работа по учету млекопитающих. Среди птиц также типичны таежники – глухарь, тетерев, рябчик. Летом прилетает много певчих птиц.
В гнездовой период плотность населения птиц максимальна в смешанных, сосновых и долинных лесах. Несколько меньше она в осиново-березовых и заболоченных лесах. Относительно бедны птицами в начале лета темнохвойные леса. Во многих ландшафтах доминируют буроголовая гаичка, зяблик, зеленая пеночка. Относительно много в заповедных лесах также таких воробьиных, как пеночка-теньковка, чиж, горихвостка-лысушка, чечевица, овсянка-ремез, певчий дрозд и белобровик.