Флора заповедника чрезвычайно разнообразна. В настоящее время на его территории выявлено 825 видов сосудистых растений, 108 видов лишайников, 72 вида мохообразных и 119 - грибов. Все вместе они составляют более 60 % флоры Пензенской области и около 40 % видового состава флоры Среднего Поволжья.

В Красную Книгу России включены встречающиеся в заповеднике: 1 вид грибов (мухомор шишковидный) и 8 видов сосудистых растений. Это рябчик русский, неоттианта клобучковая, пыльцеголовник красный, надбородник безлистный и 4 вида ковылей: опушеннолистный, перистый, красивейший и ковыль Залесского. Еще 53 вида сосудистых растений входит в Список редких растений и грибов Красной Книги Пензенской области.

Таким образом, роль заповедника в сохранении флористического разнообразия Средневолжского региона чрезвычайно велика.

Основными растительными формациями в пределах заповедника являются сосновые леса, смешанные леса, дубравы и луговые степи.

Леса
Согласно лесорастительному районированию, участки заповедника расположены в двух округах: Приволжско-Окском округе подзоны смешанных лесов (Верховья Суры, Борок, Кунчеровская лесостепь) и Приволжском округе луговых степей и дубовых лесов зоны лесостепи (Островцовская лесостепь). Примерно пятая часть лесов заповедника антропогенного происхождения. В основном, это культуры сосны.

Лесная растительность имеется на территории четырех из пяти участков заповедника (отсутствует в Попереченской степи) и занимает около 80% его территории, отличаясь исключительным разнообразием. Здесь формируются величественные сложные сосняки наряду с низкопродуктивными сосняками лишайниковыми, тенистые волосистоосоковые дубравы и светлые, остепненные дубняки, сумрачные и труднопроходимые черноольховые леса с двухметровой крапивой и веселые, светлые чистые березняки с плотным, пёстрым покровом марьянников. Большинство сообществ в той или иной мере было затронуто хозяйственной деятельностью. Тем не менее, к настоящему времени еще сохранились хоть и небольшие по площади, но довольно многочисленные участки перестойных древостоев, в некоторой степени, приближающиеся по своей структуре к первобытным лесам. Они бесценны и требуют особо бережного отношения, так как представляют собой эталоны хода естественных природных процессов.

Еще в 1921г. Б. А. Келлер писал о необходимости охраны лесов: "Каждому понятно, с какой бережностью надо хранить древние исторические документы или какую-нибудь глиняную плитку, на которой странными письменами начертана история, мифы, песни давно угасшего народа. Но как еще мало в широких кругах населения сознается необходимость оберегать те драгоценные документы и памятники, которые нам оставила сама природа. …Нужно приложить все силы, чтобы спасти эти остатки прежней растительности от истребления и дать им оправиться от искажений, вносимых человеком". Ученый считал, что "следует учредить заповедники в лесах, чтобы видеть, какие могучие леса может создавать в нашем крае природа, и наглядно показать человеку, как он своим беспорядочным и хищническим хозяйством обесценивает природные дары".

Такие "остатки прежней растительности" сохранились на северо-востоке участка Верховья Суры. Входя в этот сказочный лес, испытываешь восхищение мощью и красотой лесных исполинов современников Петра Великого и Пушкина.

Дендрофлора заповедника включает 26 видов деревьев и 34 вида кустарников. Главными лесообразующими породами являются сосна обыкновенная, дуб черешчатый, березы бородавчатая и пушистая, осина обыкновенная. Широко распространена липа мелколистная, несколько меньше - клён платановидный, вяз голый и вяз гладкий. В поймах рек и ручьев по сырым и заболоченным местам растут ольха черная, ивы белая и ломкая, изредка тополя белый и черный.

Перечисленные виды деревьев образуют верхние ярусы древостоя, которые оказывают значительное влияние на всю структуру лесных сообществ. Ярус подлеска составляют низкорослые деревья. В наших лесах к ним относятся рябина, черемуха, клен татарский, козья ива, или бредина, калина обыкновенная, крушина ломкая, яблоня ранняя и груша обыкновенная.

Из кустарников широко распространены бересклет бородавчатый, жимолость татарская и лесная, шиповник, волчье лыко, ракитник русский и дрок красильный. Последние два вида растут как в степях, так и в подлеске сухих сосновых боров. Редко встречаются боярышник кроваво-красный, бузина красная и барбарис обыкновенный. После "заповедания" стал все шире расселяться редкий для Пензенской области можжевельник обыкновенный.
Необычайное разнообразие почв, варьирующих от богатых элементами питания темно-серых и серых лесных под дубравами до бедных маломощных, подзолистых песков под сосняками лишайниковыми, обеспечивает произрастание различных типов леса. Кроме того, довольно четко проявляется зависимость распределения групп типов леса от рельефа. Так, сосновые леса приурочены, главным образом, к водораздельным пространствам и верхним частям склонов, а также к надпойменным песчаным террасам. Для водораздела Верховьев Суры характерно наличие среди сосняков значительного количества болот, образующихся в понижениях между буграми и грядами. Группа дубовых лесов занимает выровненные средние части склонов от водораздела к поймам рек. Коренные березовые леса распределены небольшими участками по понижениям на водоразделе и на нижних частях склонов, переходных к поймам. В поймах рек и ручьев растут черноольшаники, местами ивняки (ветляники).

Группа сосновых коренных типов леса отличается наибольшим типологическим разнообразием. В ней преобладают сосняки орляково-разнотравные, затем следуют сосняки травяно-мшистые. Меньшие площади занимают злаково-разнотравные и лещино-липовые сосняки. Редкими типами являются сосняки черничниковые, лишайниковые и майниково-черничниковые. Среди свежих сосняков простой и сложной субори (орляково-разнотравные и лещино-липовые) по вершинам песчаных холмов вкраплены небольшие участки сухих местообитаний - субори и сложной субори. Сосняки сырых местообитаний не занимают сколько-нибудь протяженных участков, а образуют лишь узкое кольцо при переходе сосняков к болотам.

Сосновые леса очень разнообразны по составу кустарникового и травяного ярусов. В зависимости от степени увлажнения и богатства почвы можно наблюдать постепенные переходы между крайне бедными лишайниковыми борами и заболоченными сосняками с покровом из кукушкина льна и сфагнума, постепенно переходящие в болота.
В сосновых борах заповедника чувствуешь себя как бы перенесенным из лесостепи в зону тайги. Местами сохранился и активно расселяется можжевельник обыкновенный, образуя порой густой подлесок. Черника, находясь здесь на южной границе ареала, широко распространена во влажной субори и часто занимает значительные площади, господствуя в двух типах леса. Брусника, не образуя сплошного покрова, встречается отдельными куртинами.

Обычны во влажных сосняках заповедника такие таёжные виды, как майник двулистный, костяника, седмичник европейский, вечнозеленые грушанковые: зимолюбка зонтичная и ортилия однобокая. В сухих сосняках на песчаных дюнах преобладают светолюбивые боровые виды (кошачья лапка, вейник наземный, ястребинка зонтичная, купена душистая, жабрица порезниковая и др), а также некоторые лесостепные виды (ракитник русский, дрок красильный).

Совершенно особое положение занимают сложные сосняки с нижними ярусами из широколиственных пород. Липа и дуб здесь долгое время находятся в угнетенном состоянии, сначала в виде подлеска стелющейся формы, а в осветленных участках - в виде полноценного подроста.

В возрасте 110-130 лет начинается интенсивный отпад сосны, и условия для лиственных пород улучшаются. В просветах изреживающегося сосняка они вырастают до 10-12 м. Меняется лесная подстилка и напочвенный покров. Плохо разлагающаяся хвоя все более заменяется опавшими листьями. В наземном покрове появляется осока волосистая, звездчатка жестколистная, медуница неясная - типичные неморальные (исторически связанные с широколиственными лесами) виды. Все стадии этого процесса представлены в заповеднике, делая его территорию своеобразным естественным динамическим полигоном для лесоведов. Встречаются участки с 250-летними соснами высотой 34-38м и диаметром 80-100см. Состояние сосны, несмотря на возраст, хорошее, сукцессионный процесс заторможен.

Длительная выборочная рубка лучших строевых деревьев привела к изреживанию древостоев. Темпы рубок опережали возобновление сосны, что привело к замене сосновых древостоев лиственными. Иногда в этих лесах можно видеть одну, свойственную им примету - это одинокие и стоящие мелкими группами теперь уже старые сосны. Как безмолвные свидетели прошлого, поднимаются и маячат они над пологом молодого лиственного леса немым укором бездумному хозяйствованию, стремящемуся к сиюминутной выгоде.

В тех местах, где когда-то были проведены сплошные рубки, сформировались вторичные древостои с преобладанием березы, осины и липы. Процесс смены коренных пород имел место до введения заповедного режима, когда на вырубленных участках самовозобновление леса шло, главным образом, за счет корневой поросли лиственных пород. То же происходило и в случаях применения на вырубках малоэффективных методов посадки сосны.
Вторая по величине группа типов леса - дубравы, занимает около 10% покрытых лесом земель. Они приурочены к более богатым по составу минеральных элементов суглинкам и другим разностям темно-серых и серых лесных почв. Эта группа представлена, в основном, лещино-липовыми, снытьево-разнотравными, и злаково-разнотравными дубняками. Довольно широко распространены смешанные дубняки. Это - молодняки порослевого происхождения, развивающиеся на месте сведенных коренных дубрав. В их одноярусных древостоях кроме дуба всегда присутствуют береза, осина и липа. Местами они преобладают над дубом в различных соотношениях или полностью его заменяют.

По-видимому, большинство дубовых лесов Приволжской возвышенности - производные от широколиственно-сосновых лесов, господствовавших до интенсивного освоения территории на легких почвах с прослойками опоки и щебня. Они разбросаны островами среди сосновых лесов Верховьев Суры, Борка и луговых степей Кунчеровского участка.

Ольшанники из ольхи черной распространены в поймах рек Суры и Кадады, а также по сырым и заболоченным днищам оврагов в Борке и Островцовской лесостепи. Часто они представляют собой совершенно непроходимую местность, топь. В связи с заболоченностью стволы ольхи несколько приподняты на мощных, расходящихся в стороны корнях. Иногда стволы составляют группу с одним общим основанием. В этих случаях возникают своеобразные островки, приподнимающиеся над общей поверхностью воды или кочкарника.

В сырых понижениях участка Верховья Суры распространены березняки. Они развиваются на торфянистых болотных тяжелосуглинистых и глинистых почвах, подстилаемых делювиальными суглинками и глинами. Низкопродуктивные древостои образованы березой пушистой с небольшой примесью сосны и ольхи, реже осины. Подрост редкий, состоит из березы. В подлеске - крушина ломкая и кустарниковые ивы. Хорошо развит травяной покров (покрытие 80%), в котором отмечены такие виды как вейник седеющий, молиния голубая, щучка дернистая, кровохлебка лекарственная, кочедыжник женский, осоки.

Ивняки болотные приурочены к прибрежной полосе поймы, растут на илистых пойменных отложениях. Старые высокоствольные древостои, растущие на участке "Островцовская лесостепь", образованы ивой ломкой, изредка встречаются тополь черный, ива белая. В редком подлеске - кустарниковые ивы, ежевика, шиповник.
На прирусловых валах располагаются заросли с доминированием ивы пепельной, к которой примешиваются корзиночная, трехтычинковая и шерстистопобеговая ивы.

Степи и луга
Среди луговых степей заповедника выделяется несколько основных растительных сообществ: травяные луговые степи, травяные остепнённые луга, кустарниковые луговые степи, кустарниковые остепнённые луга, настоящие луга, болотистые луга, степные кустарники.

Неповторимый облик луговым степям придают ковыли, серебристыми нитями колышущиеся на ветру в июне.

Всего в заповеднике выявлено 9 видов ковылей (из 10, произрастающих в Пензенской области). Кроме ковылей большую роль в формировании травяных луговых степей и остепнённых лугов играют такие злаки как типчак, кострецы безостый и береговой, вейник наземный, овсец пустынный. Вместе с многовидовым разнотравьем они создают пестрый ковер, поражающий обилием красок в июне и июле, во время цветения большинства видов трав.
Настоящие и особенно болотистые луга занимают очень небольшие территории вдоль редких ручьев и по берегам рек.

Из степных кустарников наиболее многочисленны терн колючий, миндаль низкий, вишня кустарниковая, спирея городчатая, ракитник русский, шиповник коричный.

Среди луговых степей на территории заповедника встречаются также небольшие участки леса - так называемые, лесные колки. Чаще всего они образованы осиной (Попереченская степь), черемухой и кленом татарским (Островцовская лесостепь), дубом и березой (Кунчеровская лесостепь).