Thực vật tại Vườn quốc gia Hoàng Liên có 2.024 loài thuộc 200 họ, trong đó có 66 loài trong sách đỏ Việt Nam, 32 loài quý hiếm, 11 loài có nguy cơ tuyệt chủng như bách xanh, thiết sam, thông tre, thông đỏ, đinh tùng, dẻ tùng v.v. Có tới trên 700 loài cây được dùng làm thuốc, trong đó có những cây dược liệu được khai thác và đưa vào sử dụng từ lâu như thiên niên kiện, đương quy, thục địa, đỗ trọng, hoàng liên chân chim, đỗ quyên, kim giao, thảo quả v.v. Đó là chưa kể còn trên 2.500 loài lấy được mẫu tiêu bản nhưng chưa xác định được tên họ của cây.
Tại đây người ta còn tìm thấy loài nấm cổ linh chi trong đó có những tai nấm nặng trên 6 kg
Khảo sát theo dọc tuyến Hoàng Liên, các nhà khoa học cũng đã phát hiện thêm nhiều loài quý hiếm, như ở độ cao 2.000 mét của khu vực các xã Séo Mý Tỷ đến Dền Thàng có rừng pơ mu mọc liên tiếp với diện tích trên 100ha, mỗi cây có đường kính trên 1m; ở Phan Xi Păng đi San Sả Hồ ở độ cao gần 3.000m, lại phát hiện rừng đỗ quyên với khoảng 20 loài trong tổng số 27 loài có mặt tại Việt Nam, trong đó đẹp và nhiều nhất là loài quyên ly, quyên huyền diệu, quyên silie.
Số lượng các loài thực vật đặc hữu chiếm tới 25% các loài thực vật đặc hữu tại Việt Nam, khiến Vườn quốc gia Hoàng Liên sở hữu kho tàng gen cây rừng quý hiếm bậc nhất trong các vườn quốc gia Việt Nam
Vườn sở hữu ba loài cây đặc biệt quý hiếm là loài bách xanh, phân bố tại vùng núi đá vôi xã Bản Hồ, huyện Sa Pa, mọc rải rác trên diện tích 30ha nhưng hiện chỉ còn không đến 10 cây có đường kính thân cây từ 20–30 cm, cao trên 20m. Loài thông đỏ chỉ còn 3 cá thể được tìm thấy tại xã Sa Pả huyện Sa Pa, sống ở độ cao trên 2.000m. Loài vân sam Hoàng Liên (sam lạnh) mọc ở độ cao 2.700m, cây cao từ 18-20m, có đường kính gốc từ 50–80 cm, phân bố trong vùng lõi vườn quốc gia với diện tích khoảng 400-500 ha. Ba loại cây quý hiếm này nay đang được Quỹ Quốc tế về Bảo vệ Thiên nhiên (WWF) và Chương trình Đông Dương khuyến cáo cần có biện pháp bảo tồn, nhân giống vì đứng trước nguy cơ tuyệt chủng cao.
Về động vật, tại Vườn quốc gia Hoàng Liên có 66 loài thú trong đó có 16 loài nằm trong sách đỏ Việt Nam. Bên cạnh những loài quen thuộc như sóc bay, mèo rừng, sơn dương, vượn đen, là những loài có nguy cơ tuyệt chủng như vượn đen tuyền, hồng hoàng, cheo cheo, voọc bạc má; chim có 347 loài trong đó có những loài quý hiếm như đại bàng đốm to, trĩ mào đỏ, chim hét mỏ vàng; động vật lưỡng cư có 41 loài; bò sát với 61 loài. Vườn bảo tồn nguồn gen của một nửa loài ếch nhái có ở Việt Nam, trong đó có loài ếch gai rất hiếm vừa được phát hiện.
