Растительный мир Дивногорья очень разнообразен и интересен благодаря уникальному рельефу местности. На одном пятачке здесь располагаются пойменные, степные, лесные урочища, овраги, балки, которые в других регионах обычно удалены друг от друга на десятки и даже сотни километров. Современная флора Природно-культурного комплекса «Дивногорье» насчитывает более 700 видов цветковых растений, основная доля приходится на многолетние травянистые растения.
На региональном и федеральном уровнях охраняется 61 вид сосудистых растений, из них международный статус охраны имеют 3 вида (внесены в Приложение II к Конвенции СИТЕС, запрещающее международную торговлю видами дикой фауны и флоры, находящимися под угрозой исчезновения): горицвет весенний, два вида орхидей: дремлик тёмно-красный и пыльцеголовник красный.
В Красную книгу РФ внесено 10 видов: ковыль перистый, ковыль красивейший, левкой душистый, прострел луговой, ирис безлистный, ирис низкий, тонконог жестколистный, рогачка меловая, проломник Козо-Полянского, пыльцеголовник красный.
Особое значение имеют зндемики, они — своеобразный показатель специфичности конкретной флоры, ее абсолютного отличия от всех других флор. На территории музея-заповедника встречается 12 эндемичных видов. Как правило, это облигатные кальцефиты, то есть растения, живущие на меловых отложениях.
За более чем 25-летнюю историю музея-заповедника «Дивногорье» соблюдение охранного режима привело к увеличению площадей популяций таких видов как шиверекия подольская, проломник Козо-Полянского, осока низкая, адонис весенний, ковыль перистый и др.