Khu rừng quốc gia Yên Tử có tổng diện tích tự nhiên không lớn (2.783ha), nhưng vẫn được xem như một bảo tàng lưu giữ và bảo tồn hệ sinh thái đa dạng của hệ thống rừng đặc dụng Việt Nam. Hệ thực vật Yên Tử được đánh giá là đa dạng về loài, chi và họ. Rừng Yên Tử có 5 ngành thực vật với 830 loài mà nhiều nhất là ngành hạt kín với 670 loài, trong đó có 38 loài thực vật đặc hữu quý hiếm.
Thực vật Yên Tử có 10 loài đa dạng nhất, chiếm tỷ trọng 35,98%. Hệ thực vật ở đây được đánh giá là đa dạng về sự sống vì sự có mặt của tất cả các kiểu dạng sống khác nhau. Trong đó, ưu thế là nhóm cây có chồi trên đất, chiếm 84,29% tổng số loài. Trong nhóm cây có chồi trên đất thì chủ yếu là cây gỗ lớn và vừa.
Thực vật ở Yên Tử rất có giá trị về tài nguyên, trong đó có 547 loài cây có ích có thể sử dụng vào 13 nhóm công dụng khác nhau. Riêng nhóm cây thuốc có khoảng 300 loài, với nhiều loại cây có giá trị cao như: Ngũ gia bì gai, kim tuyến, cát sâm, bách xanh, đại kế, hoằng tinh hoa trắng, hà thủ ô đỏ, bổ béo đen, giảo cổ lam, rau sắng, lan một lá, bảy lá một hoa, sâm cuốn chiếu, ba gạc Ấn Độ, trầu một lá...
Rừng Yên Tử đa dạng về giá trị sinh học.
Đặc biệt, Yên Tử có 20 loài thực vật quý hiếm được ghi trong Sách Đỏ Việt Nam, 6 loài cần được ưu tiên bảo tồn và phát triển. Các loài thực vật điển hình gồm: Lim xanh, gụ lau, sến mật, táu mật, hoàng đàn giả (hồng tùng), trầu tiên, sú rừng. Thảm thực vật rừng Yên Tử thuộc 2 kiểu rừng chính là rừng kín thường xanh mưa nhiệt đới và rừng kín lá rộng thường xanh mưa á nhiệt đới núi thấp.
Ở Yên Tử còn có một số loài cây có tuổi đời hàng trăm năm tuổi gắn liền với sự nghiệp tu hành ở Yên Tử của Trần Nhân Tông cùng các sơn môn, Phật tử. Năm 2016, Khu rừng quốc gia Yên Tử đã công bố 144 cây đủ tiêu chí là cây Di sản, gồm: 1 cây đa tía, 1 cây thị, 102 cây hồng tùng (xích tùng), 10 cây thông nhựa khổng lồ, 21 cây mai vàng đặc hữu Yên Tử và 9 cây đại cổ thụ. Hệ thống cây Di sản ở Yên Tử không những nổi bật với sự hấp dẫn đặc biệt về giá trị lịch sử, văn hóa tâm linh mà còn nổi bật bởi tuổi đời cây từ 300 năm đến trên 700 năm.
Thực vật ở Yên Tử có chiều hướng phục hồi tốt. Thạc sĩ Phùng Văn Phê trong luận văn “Đánh giá tính đa dạng thực vật ở rừng đặc dụng Yên Tử, Quảng Ninh”, đề xuất: Cần tiếp tục điều tra, đánh giá tỉ mỉ hơn về tính đa dạng thực vật rừng Yên Tử. Đồng thời, cần mở rộng hơn phạm vi đánh giá về yếu tố địa lý để đề xuất một số giải pháp bảo tồn tính đa dạng trong phạm vi cả khu vực.
Hệ động vật cũng đa dạng và phong phú không kém với 151 loài động vật ở cạn có xương sống. Trong đó, có 20 loài được xếp vào Sách Đỏ Việt Nam, như: Voọc mũi hếch, sóc bay lớn, ếch ang, ếch gai, thằn lằn cá sấu... có giá trị cao về bảo tồn nguồn gen, nghiên cứu khoa học, giáo dục và du lịch...
Cây đại ở Yên Tử là cây Di sản Việt Nam.
Các yếu tố tự nhiên đã tạo cho Yên Tử một cảnh quan văn hóa đặc biệt. Theo PGS.TS Trần Tân Văn, viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản, thì một cảnh quan văn hóa đủ, toàn vẹn đối với Quần thể di tích và danh thắng Yên Tử sẽ phải là toàn bộ dãy núi Yên Tử hay cánh cung Đông Triều cùng hệ thống sông suối liên quan, cả phía Tây lẫn phía Đông của dãy núi này.
Trong thời kỳ nhà Trần, dãy núi Yên Tử hoặc cánh cung Đông Triều cùng hệ thống sông suối, địa hình, địa vật liên quan là xương sống của Đại Việt, đóng vai trò cốt lõi, chiến lược trong việc định hình các giá trị văn hóa, truyền thống sử dụng đất, nước, biển, thậm chí cả nghệ thuật quân sự của thời kỳ này. Trong mối tương tác sông - núi - biển - đất liền, người Việt thời kỳ đó đã hiểu rõ các đặc điểm, yếu tố, điều kiện tự nhiên, đã sử dụng chúng một cách hiệu quả trong cuộc sống vật chất, tinh thần của mình, thậm chí buộc phải sử dụng chúng trong các cuộc kháng chiến chống ngoại xâm, bảo vệ sự toàn vẹn của đất nước.
Nhiều năm qua, được sự quan tâm của Nhà nước, UBND tỉnh, không chỉ di tích mà Khu rừng quốc gia Yên Tử cũng được chú trọng bảo tồn và phát triển. Theo đánh giá thì rừng nơi đây có diện tích nhỏ, gần đô thị và từng bị tác động trước đây, nhưng đến nay đã được phục hồi, bảo vệ tốt với diện tích rừng chiếm 93,6% diện tích tự nhiên.
Đầu năm 2021, Quảng Ninh đã triển khai 3 nhiệm vụ KHCN cấp tỉnh nghiên cứu về Yên Tử. Trong đó nhiệm vụ "Nghiên cứu đặc điểm, giá trị địa chất - địa mạo và đa dạng sinh học Yên Tử", do Trung tâm Karst và Di sản Địa chất, viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản (Bộ Tài nguyên và Môi trường) thực hiện. Đơn vị đã hoàn thành các báo cáo nhằm xác định, đánh giá đặc điểm, giá trị nổi bật về địa chất - địa mạo, hoàn thành việc thu thập, tổng hợp tài liệu hiện có về đặc điểm và giá trị đa dạng sinh học nơi đây. Qua đó, xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu về địa chất, địa mạo, đa dạng sinh học của quần thể di sản bằng các loại bản đồ, bản vẽ, sơ đồ... Nhiệm vụ KHCN này do PGS.TS Trần Tân Văn làm chủ nhiệm, thực hiện trong thời gian 24 tháng, sẽ hoàn thành vào tháng 12/2022.
Với giá trị vốn có của mình cùng với cảnh quan thiên nhiên hấp dẫn, Yên Tử đã trở thành điểm đến hấp dẫn cho loại hình du lịch sinh thái, du lịch tâm linh, trải nghiệm khám phá.
