武陵源风景名胜区境内中生代白纪至第三纪形成的被子植物科数占世界被子植物科数的29.8，其中最原始离心皮类的被子植物有5属11种。中生代白纪植物有金缕梅科、樟科等；新生代第三纪植物有八角枫科、七叶树科、山茶科、旌节花科、兰果树科等。其中古老植物有八角科、五味子科、毛茛科、金粟兰科、杨柳科、桦木科、榛科、壳斗科、桑科、榆科、杜仲科、钟萼木科、领春木科、珙桐科、大血藤科、核桃科等16科。
著名的第三纪孑遗植物鹅掌楸（马褂木）散生于原始次生林中。据1980年中国科学院华南考察队考察，武陵源地区境内有陆生脊椎野生动物22目、58科、149种。以鸟类居多，占种数的46.9；其次为兽类，占28.9；爬行类占16.1；两栖类占8.1。属国家一类保护的3种：豹、云豹、黄腹角雉；国家二类保护的25种：猕猴、短尾猴、苏门羚、穿山甲、黑熊、大灵猫、水獭、林麝、水鹿、豺、鸳鸯、鸢、雀鹰、松雀鹰、红腹角雉、白冠长尾雉、红腹锦鸡、褐翅鸦鹃、草鸮、斑头鸺鹠、短耳鸮、长耳鸮、虎纹蛙、大鲵。其中18种被列入《濒危野生动植物国际贸易公约》。
属湖南省级保护的有獐、毛冠鹿、红嘴相思鸟等54种。还有脆蛇蜥、丽纹蛇、鱼游蛇以及索溪峪景区野人井内通体透明的盲眼鱼等动物。武陵源风景名胜区境内有兽类8目、21科、43种，属国家一、二类保护的13种。有10目、24科、70种。以留鸟为主，兼有候鸟。属国家保护种类的13种，占境内鸟类总数的18.6。两栖类动物2目6科12种。
地貌类型
张家界地貌张家界地貌是砂岩地貌的一种独特类型，它是由石英砂岩为成景母岩，以流水侵蚀、重力崩塌、风化等作用力形成的以棱角平直的、高大石柱林为主的地貌景观。它是“在中国华南板块大地构造背景和亚热带湿润区内，由产状近水平的中、上泥盆统石英砂岩为成景母岩，以流水侵蚀、重力崩塌、风化等营力形成的，以棱角平直的高大石柱林为主，以及深切嶂谷、石墙、天生桥、方山、平台等造型地貌为代表的地貌景观”。
石英砂岩，在区域新构造运动的间歇抬升、倾斜，流水侵蚀切割、重力作用、物理风化作用、生物化学及根劈等多种外营力的作用下，山体则按复杂的自然演化过程形成峰林，显示出高峻、顶平、壁陡等特点。
构造溶蚀地貌武陵源构造溶蚀地貌，主要出露于二叠系、三叠系碳酸盐分布地区，面积达30.6平方千米，可划分为五亚类，堪称为“湘西型”岩溶景观的典型代表。主要形态有溶纹、溶痕、溶斗、溶沟、石芽、石林、穿洞、洼地、落水洞、竖井、天窗、伏流、地下河、岩溶泉、溶窝、溶槽、石膜、埋藏石芽、漏斗等。
溶洞主要集中于索溪峪河谷北侧及天子山东南缘，总数达数十个。以黄龙洞最为典型，被称为“洞穴学研究的宝库”，在洞穴学上具有游览和探险方面特殊的价值。
剥蚀构造地貌剥蚀构造地貌分布于志留系碎屑地区，见及三亚类：碎屑岩中山单面山地貌，分布于石英砂岩峰林景观外围的马颈界至白虎堂和朝天观至大尖一带；鲤鱼脊Ⅴ谷中山地貌，分布于湖坪、石家峪、黄家坪等地；
碎屑岩低山地貌，分布于中山外缘，山坡较缓，河谷呈开阔的Ⅴ型。河谷地貌河谷地貌类型可分为山前冲洪扇、阶地和高漫滩。前者分布于沙坪村，发育于插旗峪—施家峪峪口一带；索溪两岸发育两级阶地，二级为基座阶地，高出河面3～10米；军地坪—喻家嘴一线高漫滩发育，面积达4～5平方千米。
地质遗迹景观武陵源风景名胜区回音壁上泥盆系地层中砂纹和跳鱼潭边岩画上的波痕，是不可多得的地质遗迹，不仅可供参观，而且是研究古环境和海陆变迁的证据。分布在天子山二叠系地层中的珊瑚化石，形如龟背花纹，故称“龟纹石”。地质特征武陵源地区在区域构造体系中，处于新华夏第三隆起带。在地质历史时期内，大致经历了武陵一雪峰、印支、燕山、喜山及新构造运动。
武陵—雪峰运动奠定了武陵源地区基底构造。印支运动塑造了武陵源地区的基本构造地貌格架，而喜山及新构造运动是形成武陵源奇特的石英砂岩峰林地貌景观的最基本的内在因素之一。
构成砂岩峰林地貌的地层主要由远古生界中、上泥盆统云台观组和黄家墩组构成，地层显示滨海相碎屑岩类特点。岩石质纯、层厚，底状平缓，垂直节理发育，岩石出露于向斜轮廓，反映出砂岩峰林地貌景观形成的特殊地质构造环境和基本条件。而外力地质活动作用的流水侵蚀和重力崩坍及其生物的生化作用和物理风化作用，则是塑造武陵源地貌景观必不可少的外部条件。