Di kawasan TNBTS setidaknya terdapat 1.025 jenis flora. Penelitian yang dilakukan oleh LIPI dan BBTNBTS mengungkapkan bahwa zona inti kawasan TNBTS didominasi oleh beberapa famili, yaitu: Moraceae, Araliaceae, Meliaceae, Euphorbiaceae dan Apocynaceae. Pada tingkatan semak belukar, hutan didominasi oleh famili Solanaceae, Rubiaceae, Verbenaceae dan Zingiberaceae serta beberapa jenis liana yang termasuk dalam anggota famili Piperaceae, Araceae dan Polypodiaceae.

Di kawasan ini terdapat 158 jenis Anggrek yang 40 jenis di antaranya tergolong langka, di antaranya yaitu Malaxis purpureonervosa (endemik Semeru Selatan) dan Habenaria tosariensis (endemik TNBTS). Sementara itu Macodes pentola merupakan jenis anggrek yang dilindungi Undang-undang.

Kawasan TNBTS juga dikenal sebagai “Land of Edelweiss”. Di kawasan ini telah teridentifikasi 3 jenis Edelweiss, yaitu: Anaphalis longofilia, Anaphalis javanica dan Anaphalis viscida.