VQG Tam Đảo cách thủ đô Hà Nội chỉ trên 75 km, điều kiện giao thông tương đối thuận lợi và là một trong những địa điểm có khu hệ thực vật phong phú. Đã từ lâu nhiều nhà thực vật nước ngoài cũng như trong nước đã tiến hành nhiều cuộc khảo sát khu hệ thực vật của VQG Tam Đảo. Dựa trên cơ sở các tài liệu liên quan và kết quả các đợt điều tra, khảo sát Trần Ninh (2005) đã thống kê ở VQG Tam Đảo có đến 1436 loài thuộc 741 chi, 219 họ, 6 ngành thực vật bậc cao.
Trong đó ngành Mộc Lan (Magnoliophyta) có số loài nhiểu nhất (1149 loài, chiếm tỷ lệ 80,01%), ngành Cỏ tháp bút (Equisetophyta) có số loài ít nhất (1 loài, chiếm tỷ lệ 0,07%). Ngành Rêu (Bryophyta) phân bố khá phổ biến trong các vùng ẩm ướt, thường xuyên có mây mù che phủ như vùng cao của dãy Tam Đảo, nhưng đến nay là lần đầu tiên được đưa vào danh lục của VQG Tam Đảo.

Trong số các loài thực vật của VQG Tam Đảo có 68 loài đặc hữu và 58 loài quý hiếm được ghi vào sách đỏ của Việt Nam hay theo tiêu chuẩn của IUCN cần được bảo tồn và bảo vệ như: Lan hài tam đảo (Paphiopedilum gratrixianum ), Hoàng thảo hoa vàng (Dendrobium chrysanthum), Trà vàng ginbéc (Camellia gilberti), Trà vàng Tam đảo (Camellia tamdaoensis), Trà vàng pêtêlô (Camellia petelotii), Chùy hoa leo (Molas tamdaoensis), Pơ mu (Fokienia hodginsii), Tùng la hán hay Thông tre lá ngắn (Podocarpus brevifolius), Kim giao (Nageia fleuryi ), Sam bông (Amentotaxus argotaenia), Sến mật (Madhuca pasquieri) và Chùy đầu dương hình (Rhopalocnemis phaloides).