O conjunto de fitofisionomias que forma a Mata Atlântica propiciou uma significativa diversificação ambiental, criando as condições adequadas para a evolução de um complexo biótico de natureza vegetal e animal altamente rico. É por este motivo que a Mata Atlântica é considerada atualmente como um dos biomas mais ricos em termos de diversidade biológica do Planeta.
Não há dados precisos sobre a diversidade total de plantas da Mata Atlântica, contudo considerando-se apenas o grupo das angiospermas (vegetais que apresentam suas sementes protegidas dentro de frutos), acredita-se que o Brasil possua entre 55.000 e 60.000 espécies, ou seja, de 22% a 24% do total que se estima existir no mundo. Desse total, as projeções são de que a Mata Atlântica possua cerca de 20.000 espécies, ou seja, entre 33% e 36% das existentes no País. Para se ter uma idéia da grandeza desses números, basta compará-los às estimativas de diversidade de angiospermas de alguns continentes: 17.000 espécies na América do Norte, 12.500 na Europa e entre 40.000 e 45.000 na África.
Apenas em São Paulo, estado que possuía cerca de 80% de seu território originalmente ocupado por Mata Atlântica, estima-se existirem 9.000 espécies de fanerógamas (plantas com sementes, incluindo as gimnospermas e angiospermas), 16% do total existente no País e cerca de 3,6% do que se estima existir em todo o mundo. No caso das pteridófitas (plantas vasculares sem sementes como samambaias e avencas), as estimativas apontam para uma diversidade entre 800 e 950 espécies, que corresponde a 73% do que existe no Brasil e 8% do mundo.
O Museu de Biologia Mello Leitão publicou, em 1997, estudos desenvolvidos na Universidade Federal do Espírito Santo e da Universidade de São Paulo, dizendo que na Estação Biológica de Santa Lúcia, município de Santa Teresa (ES), foram identificadas 443 espécies arbóreas em um área de 1,02 hectare de floresta ombrófila densa. Na seqüência, estudos realizados no Parque Estadual da Serra do Conduru, no Sul da Bahia, elevaram esse número para 454 espécies de árvores por hectare (Jardim Botânico de Nova Iorque e CEPLAC). Estas descobertas superam o recorde de 300 espécies por hectare registrado na Amazônia Peruana em 1986 e podem significar que de fato a Mata Atlântica possui a maior diversidade de árvores do mundo.
Vale ressaltar que das plantas vasculares conhecidas da Mata Atlântica 50% são endêmicas, ou seja, não ocorrem em nenhum outro lugar no planeta. O endemismo se acentua quando as espécies da flora são divididas em grupos, chegando a índices de 53,5% para árvores, 64% para palmeiras e 74,4% para bromélias.
Muitas dessas espécies endêmicas são frutas conhecidas, como é o caso da jabuticaba, que cresce grudada ao tronco e aos galhos da jabuticabeira (Myrciaria trunciflora), daí seu nome iapoti-kaba, que significa frutas em botão em tupi. Outras frutas típicas da Mata Atlântica são a goiaba, o araçá, a pitanga, o caju e as menos conhecidas cambuci, cambucá, cabeludinha e uvaia. Outra espécie endêmica do bioma é a erva mate, matéria-prima do chimarrão, bebida bastante popular na região Sul.
Muitas dessas espécies, porém, estão ameaçadas de extinção. Começando pelo pau-brasil, espécie cujo nome batizou o País, várias espécies foram consumidas à exaustão ou simplesmente eliminadas para limpar terreno para culturas e criação de gado. Atualmente, além do desmatamento, outros fatores concorrem para o desaparecimento de espécies vegetais, como o comércio ilegal. Um exemplo é o palmito juçara (Euterpe edulis), espécie típica da Mata Atlântica, cuja exploração intensa a partir da década de 1970 quase levou à extinção. Apesar da retirada sem a realização e aprovação de plano de manejo ser proibida por lei, a exploração clandestina continua forte no País. O mesmo vem acontecendo com o pinheiro-do-paraná ou araucária (Araucaria angustifolia), espécie que chegou a responder por mais de 40% das árvores existentes na floresta ombrófila mista, hoje reduzida a menos de 3% de sua área original. Orquídeas e bromélias também são extraídas para serem vendidas e utilizadas em decoração. Plantas medicinais são retiradas sem qualquer critério de garantia de sustentabilidade.
Em um bioma onde as espécies estão muito entrelaçadas em uma rede complexa de interdependência, o desaparecimento de uma planta ou animal compromete as condições de vida de várias outras espécies. Um exemplo é o jatobá (Hymenaea courbarail). A dispersão de suas sementes depende que seu fruto seja consumido por roedores médios e grandes capazes de romper a sua casca. Como as populações desses roedores estão diminuindo muito, os frutos apodrecem no chão sem permitir a germinação das sementes. Com isso, já são raros os indivíduos jovens da espécie. À medida em que os adultos forem morrendo, faltará alimentos para os morcegos, que se alimentam do néctar das flores de jatobá.
