В растительном покрове заповедника господствуют леса (93,7 % его общей площади). На материковом участке наибольшую площадь занимают леса с преобладанием липы мелколистной (10 851 га), на втором месте — осинники (5368 га). Сосновые леса (1811 га) встречаются почти исключительно в горной части, на наиболее крутых склонах и гребнях гор. Довольно много дубовых лесов (1664 га), обычны также березняки (1071 га) и леса с преобладанием клена остролистного (481 га). В пойменной части наибольшую площадь занимают леса с преобладанием осокоря, или черного тополя (113 га), встречаются леса с доминированием вяза гладкого (36 га), ольхи черной (13 га) и ветлы, или ивы белой (12 га).
В условиях горного ландшафта сохранилось больше всего естественных фитоценозов, среди которых издавна привлекали внимание ученых горные остепненные боры и каменистые степи Жигулей. Именно с этими типами растительности связана большая часть реликтов и эндемиков жигулевской флоры. Хотя каменистые степи занимают в заповеднике всего около 200 га, они отличаются исключительным разнообразием растительности и богатством флоры. Достаточно сказать, что на участках каменистых степей, занимающих менее 1% площади заповедника, произрастает более половины всех видов. Для каменистых степей характерна сложная временная ярусность, по нескольку раз в месяц меняется их цветовой наряд. На отдельных участках за вегетационный период отмечалось до 10 различных аспектов — от белоснежных апрельских ковров в массе цветущей шиверекии подольской до позднелетнего сиреневого аспекта цветущего тимьяна.
При всем многообразии каменистых степей их можно подразделить на 5 основных группировок: седое розеточное разнотравье (с васильком сумским, наголоваткой паутинистой); высокотравье (с полынью Маршалла, васильком русским, качимом высочайшим и др.); кустарниковую степь (с чилигой, вишней степной и другими степными кустарниками); разнотравно-злаковую степь (с ковылем перистым, овсецом пустынным и др.); растительность скал с обнажений (с комплексом накипных лишайников, эфедрой, кизильником черноплодным).
Большинство видов растений каменистых степей участвует в формировании нижнего яруса соседствующих со степями горных боров. Однако их травяно-кустарничковый ярус существенно отличается от этого яруса в каменистой степи. В частности, только в нижнем ярусе горных боров встречается толокнянка, по которой выделяется особый тип леса — горный бор с толокнянкой. На участках открытых каменистых степей толокнянка не встречается, хотя иногда образует хорошо развитые синузии в местах с нарушенным естественным покровом — на обочинах дорог, проходящих по гребням гор. Среди горных боров Жигулей преобладают чистые сосняки, на более пологих склонах в них формируется второй древесный ярус с преобладанием березы и примесью клена остролистного, липы мелколистной. Подлесок в горных лесах бывает не всегда и, как правило, состоит из степных кустарников — чилиги, ракитника, вишни степной, терна, спиреи зверобоелистной. На платообразных участках и северных склонах подлесок становится гуще и разнообразнее за счет лесных кустарников — шиповника коричного, жимолости лесной, бересклета бородавчатого, калины обыкновенной.
Горные сосняки — низкопроизводительные (среднего бонитета) и средней полноты (преимущественно от 0,5 до 0,8), большого возраста (от 100 до 240 лет). Сосна характеризуется довольно хорошим плодоношением, однако из-за поедания урожая животными и сильной инсоляции почвы всходов бывает очень мало. Кроме того, как только сосенки поднимутся выше уровня снежного покрова, их начинает активно повреждать лось, поэтому естественных сосновых молодняков в Жигулях практически нет. Сохраняются лишь единичные деревца на крутых открытых склонах близ дорог.
Нередко с горными сосняками и каменистыми степями соседствуют дубовые криволесья. Они больше похожи на кустарниковые заросли, чем на лес. Дуб здесь отличается исключительно низкой производительностью, его росту препятствуют не только бедность почвы, недостаток увлажнения и суровый микроклимат, но и постоянное объедание побегов лосем.
Северные и более пологие южные склоны, так же как и днища оврагов, заняты преимущественно лиственным лесом с преобладанием липы, реже осины, клена и березы, а также дуба. Как примесь очень широко распространен ильм горный, нередко образующий второй древесный ярус, а иногда участвующий в первом ярусе. В качестве примеси в древостое встречаются рябина обыкновенная, ива козья, черемуха, яблоня лесная и клен татарский. В подлеске лиственных горных лесов обычны кустарники, среди которых всюду преобладает лещина обыкновенная.
Для лиственных лесов заповедника и в горной части, и на плато характерна захламленность и густой подрост клена остролистного. Обе эти особенности вызваны исключительно сильным повреждением дуба и клена морозами зимы 1978/79 г., что привело к усыханию и суховершинности этих деревьев. Разреживание полога леса за счет отмирания крон дуба и клена способствовало усиленному росту всходов клена, в массе появившихся после чрезвычайно высокого семеношения клена в 1977 и 1978 гг. Усыхание дуба и клена в лесах Жигулей и плато Самарской Луки повлияло не только на жизнедеятельность древесно-кустарникового яруса. Разреживание полога леса привело к более мощному росту травянистых растений, не только цветущих ранней весной (ветреницы алтайская и лютиковая, медуница мягкая, чина весенняя, первоцвет крупночашечный), но и растений, обычно под пологом леса цветущих и плодоносящих очень слабо (ландыш, сныть). Коснулось это не только фоновых, но и редких видов: начиная с 1979 г. возросла численность и стали обильнее цвести и плодоносить некоторые орхидные: дремлик темно-красный, дремлик широколистный, пыльцеголовник красный.
Леса на плато Самарской Луки (в отличие от горных) в прошлом почти все были вырублены, поэтому здесь практически нет сосняков и высокоствольных дубрав. О существовании их в недалеком прошлом свидетельствуют редкие единичные сосны или небольшие группы среди осинников и липняков, а также участки порослевого дубового леса. Кроме того, на плато Самарской Луки на бывших вырубках сформировались довольно крупные участки лещинников с примесью липы, поскольку поросль других лиственных пород (клена, дуба, осины) сильно повреждается лосями. Восстановление лесов на таких вырубках задерживается на десятилетия, но липняки формируются быстрее. В долинах наиболее крупных оврагов на плато (Хмелевого, Безымянного, Ширяевского) развита луговая растительность. Весьма интересна высокотравная растительность Хмелевого оврага со значительным участием короставника татарского, дягиля лекарственного, купыря лесного, чины лесной, валерианы волжской, зорьки и др.
В зоне контакта лесного массива плато с лугово-степной растительностью долины Ширяевского оврага встречаются травянистые сообщества с доминированием купальницы европейской, горицвета весеннего, василька русского, а также лесные опушки с преобладанием черемухи, дикой яблони, клена татарского.
Кроме того, Жигули известны обилием грибов, произрастающих на лесистых склонах: маслята, опята, вешенки, мухоморы и пр. Характерный гриб — сыроежка, который можно встретить в Жигулях практически везде.
На территории заповедника и его ближайших окрестностей к 1984 г. отмечено 213 видов наземных позвоночных, которые постоянно живут здесь или регулярно ее посещают. Среди них — 40 видов млекопитающих, 158 — птиц, 7 — пресмыкающихся и 8 видов земноводных. Млекопитающие относятся к 6 отрядам: насекомоядных (5 видов), рукокрылых (6), грызунов (15), зайцеобразных (2), хищных (9) и парнокопытных (3 вида). Среди птиц — представители 14 отрядов. Как и везде в средней полосе, наиболее разнообразны воробьиные (79 видов). Орнитофауну заповедника отличает большое число дневных хищников (15 видов), гусеобразных (14) и дятлообразных (7 видов). Остальные отряды птиц представлены 1—6 видами. Среди пресмыкающихся 3 вида ящериц и 4 вида змей, среди земноводных преобладают бесхвостые (7 видов).
По состоянию современной численности 101 вид (25 — млекопитающих, 70 — птиц, 3 — пресмыкающихся и 3 — земноводных) можно считать фоновыми, многочисленными и обычными; остальные 112 видов на территории заповедника редки. Все пресмыкающиеся, земноводные и большая часть видов млекопитающих постоянно обитают на заповедной территории; среди птиц оседлых — 28 видов, гнездящихся — 77, пролетных — 41, зимующих — 4 и залетных — 8 видов. В зоогеографическом плане (Юргенсон, 1981) в фауне наземных позвоночных преобладают широко распространенные виды и представители -фауны широколиственных лесов. Северные виды среди млекопитающих составляют 12%, птиц — 10, пресмыкающихся и земноводных — 7%.