พืชพรรณ ในเขตอุทยานแห่งชาติน้ำตกธารเสด็จสามารถจำแนกชนิดของพันธุ์ไม้ออกได้ตามประเภทของป่าดังนี้ คือ
- ป่าดงดิบชื้น หรือป่าดงดิบ เป็นป่าไม้ไมม่ผลัดใบมีสีเขียวสดตลอดปี สภาพป่ารกทึบทั้งในเรือนยอดของไม้ใหญ่ และชั้นไม้พื้นลาง มีพันธุ์ไม้ที่สำคัญได้แก่ ไม้ยาง ยูง ตะเคียน กระท้อน ขนุนปาน จิกเขา ตำเสา นาคบุตร พิกุลป่า หว้า เหรียง หลาวชะโอน เป็นต้น สำหรับไม้พื้นชั้นล่างประกอบด้วยไม้ไผ่ชนิดต่างๆ เช่น ระกำ หวายชนิดต่างๆ เต่าร้าง ตลอดจนพืชชั้นต่ำ ที่อาศัยลำต้นหรือเรือนยอดของต้นไม้ ขนาดใหญ่ หรือเกิดขึ้นร่วมกับไม้อื่นๆ เช่น กล้วยไม้ มอส เฟิน และเถาวัลย์ชนิดต่างๆ
- ป่าดงดิบแล้ง เป็นป่าที่ปกคลุมไหล่เขา ตตามร่องน้ำที่เป็นเขาหินเป็นส่วนใหญ่มีเนื้อดินเป็นชั้นบาง จึงประกอบด้วยไม้ ที่ไม่สามารถทำเป็นสินค้าได้ มีขนาดเล็ก ลำต้นไม่สูงมากนัก ป่าประเภทนี้มีพันธุ์ไม้ที่สำคัญได้แก่ ไม้พลองใบใหญ่ รังเขา หัวค่าง เกด พลองตาเป็ด พลองกินลูก เจียด ชมัง หลงใหล กลุ่มของไม้หนามขี้แรด หรือข่อยหนาม ตังหน มังตาล ยมหิน ยอป่า เป็นต้น
- ป่าเขาหินปูน เป็นป่าที่เกิดขึ้นบริเวณเเกาะแก่งทั่วไป พรรณไม้ที่พบจำพวก ไทร โพทะเล ปอทะเล เชียด สลัดได เป็นต้น
ชนิดและประเภทของสัตว์ป่า
สัตว์ป่า จากการสำรวจสภาพพื้นที่จริง และสอบถามจากราษฎรในท้องที่พบว่า เกาะพะงันเป็นแหล่งที่อยู่ของสัตว์ป่าหลายชนิด จึงสามารถจำแนกเป็นประเภทต่างๆ ดังนี้
- สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ประกอบด้วยกวางป่าา หมูป่า ลิง ค่าง ลิง กระรอก กระแต พญากระรอก อีเห็น ชะมด และหนูชนิดต่างๆ โดยเฉพาะกวางป่าจากการสอบถามจากราษฎรในท้องภิ่นปรากฏว่ามีอยู่มากมายไม่น้อยกว่า 200 ตัว ซึ่งชาวเกาะพะงันได้รับพระราชทาน จากพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว รัชกาลที่ 5 ทรงเปล่ากวางเพศผู้และเพศเมียอย่างละ 1 ตัว เมื่อครั้งเสด็จประพาสน้ำตกธารเสด็จ จึงนับเป็นระยะเวลา 100 ปีมาแล้ว
- นก ประกอบด้วยนกหลายชนิด เช่น เหยี่ยวรุ้ง นกออก นกเอี้ยง นกขุนทอง อีกา นกดุเหว่า นกกวัก นกกระปูดใหญ่ นกกระเต็น นกกางเขนดง นกกางเขนบ้าน นกเขา นกเขาเขียว นกปรอดคอลาย เป็นต้น
- สัตว์เลื้อยคลาน ประกอบด้วยพวกเต่า ตะพาาบน้ำ ซึ่งอาศัยอยู่ตามลำธารน้ำจืดในป่า กิ่งก่า ตุ๊กแก แย้ จิ้งจก จิ้งเหลน ตะกวด แลน และสัตว์ประเภทงูชนิดต่างๆ ซึ่งที่มีพิษ และไม่มีพิษ เช่น งูเห่า งูจงอาง งูเขียว งูเหลือม
- สัตว์สะเทินน้ำสะเทินบก ประกอบด้วยกบ เขขียดชนิดต่างๆ ส่วนมากพบตามบริเวณลำห้วย
- ปลา ประกอบด้วยปลาดุก ปลาช่อน ปลาหมอ กุ้ง และปูน้ำจืด
-ทรัพยากรทางทะเล ในท้องทะเลของอุทยานแห่งงชาติน้ำตกธารเสด็จอุดมสมบูรณ์ด้วยปะการัง ปู ปลา และหอยชนิดต่าง ๆ