České středohoří se řadí k nejbohatším botanickým územím České republiky. Díky složitému geologickému i klimatickému vývoji se stalo křižovatkou rostlinných druhů z vlhčích západních atlantických oblastí i suchomilných druhů z kontinentálního východu. Výjimkou není ani výskyt druhů typických pro jižní, nebo naopak severní, Evropu. Některé druhy přetrvaly od doby ledové, jako například kapradinka skalní, lomikámen trsnatý, játrovka. Jiným pomohly v šíření suché dekády. Až z jihoruských stepí doputoval do Českého středohoří kozinec bezlodyžný, koniklec otevřený a některé druhy kavylů. Vyskytují se zde i význačné relikty a okrajové lokality rozšíření některých druhů. Pohoří je třeba nejzápadnějším místem výskytu trávy ovsíře stepního.
Mozaika společenstev je velmi pestrá, zahrnující biotopy velmi suché, travnaté, skalní stepi, teplomilné doubravy, suťové lesy, bučiny, vlhké louky i menší rašeliniště. Jižní část středohoří v okolí Loun a při okrajovém pásu hor směrem k řece Labi patří k nejteplejším a nejsušším oblastem v Čechách. Jižní a východní svahy vulkanických kopců porůstají kavylové stepi. Vyskytují se zde všechny „české druhy“ kavylů a endemická varieta kavylu sličného (Stipa pulcherrima var. nudicostata) popsaná pouze na Rané. Stepní porosty jsou reprezentovány i dalšími vzácnými druhy: kozinec dánský, kozinec rakouský, vlnice chlupatá, divizna brunátná, violka obojaká. Severní svahy jsou porostlé lesíky s bohatým keřovým patrem (hlohy, růže, svída krvavá, dřín obecný). Místy se vyskytují šipákové doubravy. Úplně chybějí bučiny. Na úpatích vulkanitů se vyskytují takzvané „bílé stráně“, na jejichž bohatý minerální podklad je vázána celá škála vzácných druhů. Zajímavé jsou především různé druhy orchidejí, jako je tořič hmyzonosný, střevíčník pantoflíček a pětiprstka hustokvětá.
Centrální část, oblast Milešovského středohoří, je mírně vlhčí a oceáničtější. Tuto část pohoří charakterizují především porosty doubrav a dubohabrových hájů. Na severních a severovýchodních svazích vyšších poloh se vyskytují bučiny, mnohdy přeměněné na kulturní smrčiny. Na částech území jsou uchovány podhorské louky s výskytem ohrožených a vzácných druhů, zejména hadího mordu nízkého, kostřavy ametystové a kosatce sibiřského. Naprosto ojedinělé jsou pozůstatky kdysi rozsáhlejších Babinských orchidejových luk nedaleko obce Čeřeniště. Vykvétá zde množství prstnatce májového, zvonovce liliolistého, tolije bahenní a kosatce sibiřského.
Severní část, Verneřické středohoří, se vyznačuje vlhčím, chladnějším klimatem i jiným krajinným reliéfem. Floristické složení této části území je také odlišné. Teplomilnější druhy tu nacházejí omezená útočiště jen na jižně exponovaných skalách a sutích. Představiteli těchto druhů jsou válečka prapořitá a dobromysl obecná. K nejcennějším stanovištím v této oblasti patří luční porosty a lesní mokřiny s výskytem vlhkomilných druhů, jako je kuklík potoční a prstnatec Fuchsův. Lesní porosty jsou zastoupeny bučinami se strdivkou nící, věsenkou nachovou, kyčelnicí cibulkonosnou a devítilistou. Místy i s měsíčnicí vytrvalou. Z ostatních porostů se uplatňují suťové lesy s převahou klenu, místy se objevují doubravy. Ve společenstvu olšin podél mnoha vodních toků jsou velmi bohaté populace bledule jarní, podél Lučního potoka u Vinného přistupuje i ladoňka vídeňská. Ve zbytcích se dochovaly vlhké louky s prstnatcem májovým a upolínem nejvyšším.
