保护区有种子植物105科，433属，其中木本植物153属，草本植物280属。已发现中国特有属12个，特有植物种459种，秦岭特有种55种。从本区各属的地理成分来看，与亚洲和北美洲的联系较欧洲甚至大洋州和非洲更为密切，而温带成分是牛背梁保护区植物区系的主要成分，具有较强的过渡性，北坡以华北植物区系成分为主，南坡多含华中植物区系成分，高山地带还表现出唐古拉植物区系和横断山脉植物区系的特点，为多种植物区系成分的交汇地带。在各地理成分中，以温带成份最为突出，温带属在该地区的植物区系和植被中，起着主导作用。
      牛背梁保护区有珍稀濒危植物11种，其中列为一类保护植物1种，二类保护植物3种，三类保护植物7种，保护植物在保护区内呈零散分布。其中，太白红杉、星叶草和羽叶丁香为陕西省发现的新分布点。