牛首山地形复杂，生境多样，植物种类繁多，植被类型复杂，典型地带植被类型为落叶阔叶和常绿阔叶混交林。据统计，区内蕴藏具有价值的植物种类就达300多种，如南京椴、乌饭树、紫金牛、杜蘅等，其中南京椴更是非常珍稀的古木品种，目前在南京的存留非常少，在牛首山祖堂山路的尽头有大片"南京椴"群落，100余棵椴树成片分布，堪称南京最大的南京椴基因库。牛首山也是国内首个中华虎凤蝶保护基地。

虎凤蝶

在南京紫金山、牛首山等地分布的中华虎凤蝶为中华虎凤蝶指名亚种，以杜蘅为食，属于2000年国家林业局公布的1600余种“三有动物”（即有益的或者有重要经济、科学研究价值的陆生野生动物）之列。 

1982年，在牛首山上发现南京第一只虎凤蝶。2005年在牛首山东峰脚下建立国内首个中华虎凤蝶保护基地。

仙阙茶

牛首山植物资源十分丰富，昔日盛产松、竹、茶、兰。其茶，香色俱佳，名仙阙茶，仙阙茶芽肥毫显，香浓味甘，汤色清澈，是绿茶中的精品，以"味醇、色秀、香馨、液清"而久负盛名。其兰，一茎十数花（蕙兰），叶少而阔，色碧香馥。其桃李，烂若云霞，加之漫坡杜鹃、山茶，风景宜人。

南京椴

风景区内蕴藏具有价值的植物种类就达300多种，其中有珍贵的南京椴、乌饭树、紫金牛、杜衡等；南京椴是非常珍稀的古木品种，目前在南京的存留非常少，大规模的南京椴群落更是非常罕见，但在牛首山祖堂山路的尽头，就发现了大片南京椴群落，椴树连接成片，有100余棵以上，堪称南京最大的南京椴基因库。