1. Đa dạng hệ sinh thái.

Qua điều tra nghiên cứu trên các hệ sinh thái rừng, thảm thực vật khu BTTN Pù Luông được phân thành các kiểu sau:

Rừng nguyên sinh mùa mưa nhiệt đới lá rộng thường xanh đất thấp trên đá vôi: Kiểu rừng này phân bố đến độ cao khoảng 700 m; kiểu rừng này phân bố ở trên các sườn núi thấp hoặc có độ cao trung bình của những dãy núi đá vôi

Rừng nguyên sinh mùa mưa nhiệt đới lá rộng thường xanh núi đất thấp đá phiến: Kiểu rừng này còn một diện tích nhỏ còn sót lại ở chân dãy núi đá vôi

Rừng nguyên sinh mưa mùa nhiệt đới lá rộng thường xanh trên núi đá vôi thấp: Kiểu rừng này rất phổ biến trong KBT, có độ cao từ 700-950 m. Chúng mọc trên những phần cao của sườn những dãy núi đá vôi và ít bị tác động. Thành phần loài và cấu trúc điển hình nhất của kiểu rừng này được thấy trên những sườn dốc và trên những đường đỉnh có độ cao trung bình nằm giữa các đỉnh và chóp núi cao hơn;

Rừng nguyên sinh mưa mùa nhiệt đới lá Kim thường xanh trên núi đá vôi thấp:  Kiểu rừng này là dạng rừng nguyên sinh rất hiếm còn sót lại tại rất ít các đỉnh núi đá vôi thuộc khu vực xã Cổ Lũng. Kiểu rừng này phân bố ở độ cao 800-850 m. Loài Thông Pà cò (Pinus kwangtungensis) là loài ưu thế duy nhất của kiểu rừng này;

Rừng nguyên sinh mưa mùa nhiệt đới lá rộng thường xanh trên núi cao đá bazan: Kiểu rừng này phân bố ở khu vực dãy núi Pù Luông khu vực các xã Thành Lâm, Thành Sơn huyện Bá Thước; Phú Xuân, Thanh Xuân, Hồi Xuân huyện Quan Hoá với độ cao từ 900-1700 m. Kiểu rừng này được che phủ bởi các quần xã rừng nguyên sinh và thứ sinh. Kiểu rừng này có sương mù, tạo ra những khu vực có độ ẩm cao và luôn ẩm ướt thậm chí trong cả mùa khô, điều này cho phép hình thành một thảm thực vật ẩm ướt khác biệt với các kiểu rừng mọc trên núi đá vôi.

        2. Khu hệ thực vật.

Khu BTTN Pù Luông hiện có 1.579 loài thực vật thuộc 680 chi, 200 họ, 76 bộ, 12 lớp và 6 ngành trong đó có 167 loài có tên trong IUCN 2013, DLĐVN 2007 và NĐ 32/2006/NĐ-CP. Trong đó những loài đặc hữu đại diện như: Thông Pà Cò, Trai lý, Nghiến, các lài lan như Lan Hài, Kim tuyến đá vôi...

        3. Khu hệ động vật.
       Hệ động vật đã ghi nhận tổng số 908 loài động vật hoang dã thuôc 649 giống, 276 họ. Trong đó:

- Động vật nổi ghi nhận 55 loài thuộc 35 giống, 18 họ, 2 ngành. Động vật đáy ghi nhận được 177 loài thuộc 142 giống, 70 họ, 3 ngành. Trong đó 24 loài có trong IUCN 2013 và 1 loài trong DLĐVN 2007.

- Lớp Cá ghi nhận được 67 loài thuộc 49 giống, 21 họ và 6 bộ. Trong đó có 13 loài được liệt kê trong IUCN 2013 và không có loài nào nằm trong DLĐVN 2007.

- Lớp côn trùng ghi nhận 347 loài thuộc 237 giống, 80 họ của 17 bộ. Trong đó, DLĐVN 2007 có 1 loài; IUCN 2013 có 16 loài.

- Lớp chim ghi nhận 117 loài thuộc 91 giống, 43 họ, 13 bộ. Trong đó, 2 loài có tên trong DLĐVN 2007, 93 loài có tên trong IUCN 2013, 4 loài có tên trong Nghị định 32/2006/NĐ-CP.

- Lớp thú ghi nhận 79 loài thuộc 47 giống, 24 họ, 9 bộ. Trong đó, có 29 loài có tên trong DLĐVN 2007, 69 loài có tên trong IUCN 2013, 27 loài có tên trong NĐ 32/2006/NĐ-CP.

- Lớp lưỡng cư ghi nhận 26 loài thuộc 18 giống, 7 họ, 1 bộ. Trong đó, duy nhất có 1 loài có tên trong DLĐVN 2007, 19 loài có tên trong IUCN 2013. 

- Lớp bò sát ghi nhận 40 loài thuộc 30 giống, 14 họ, 2 bộ. Trong đó, 12 loài có tên trong DLĐVN 2007, 19 loài có tên trong IUCN 2013, 8 loài có tên trong NĐ 32/2006/NĐ-CP.