Với tổng diện tích 15.048 ha, vùng đệm 18.639 ha, trong đó khu bảo vệ nghiêm ngặt là 9.099 ha, Xuân Sơn là vườn quốc gia duy nhất có rừng nguyên sinh trên núi đá vôi (2.432ha). Theo thống kê ban đầu, Xuân Sơn có 726 loài thực vật bậc cao, hệ thực vật có các loài: re, dẻ, sồi và mộc lan chiếm ưu thế. Ngoài ra, còn có các loài tiêu biểu cho khu vực Tây Bắc như: táu muối, táu lá duối, sao mặt quỷ và chò chỉ, chò vảy, nghiến, dồi, vầu đắng, kim giao (rừng chò chỉ ở Xuân Sơn là một trong những rừng chò chỉ đẹp và giàu nhất miền Bắc).

Tại đây hiện có 365 loài động vật, trong đó có 46 loài ghi trong sách đỏ Việt Nam và 18 loài ghi trong sách đỏ Thế giới. Các loài đặc trưng cho hệ động vật Tây Bắc như: Voọc xám, vượn chó, cày bạc má, sóc bụng đỏ đuôi trắng, gấu, báo,... về chim có: gà lôi, gà tiền, đại bàng đất,... riêng sơn dương có nhiều nhất toàn quốc.

Ngoài sức hấp dẫn của hệ động thực vật phong phú, Xuân Sơn còn có nhiều cảnh quan thiên nhiên kỳ thú. Nằm trong quần thể vườn quốc gia Xuân Sơn có ba đỉnh núi cao trên 1.000m là: núi Voi, núi Ten và núi Cẩn với hàng trăm hang động; sông suối như: suối Lấp, suối Thang; và nhiều thác nước có độ cao trên 50m, che phủ hang, hốc đá, hoà quyện màu thác bạc với màu xanh của rừng già làm cho phong cảnh vừa hùng vĩ vừa thơ mộng.

Do quá trình phong hoá, thuỷ hoá tạo thành Xuân Sơn có 16 hang động đá với thạch nhũ đẹp, đa dạng, tạo nên muôn hình vạn trạng. Vào thăm hang động ở đây, du khách không khỏi ngỡ ngàng trước vẻ đẹp của các nhũ đá rủ xuống thành muôn hình kỳ lạ.

Ðộng Tiên là một hang ngầm trong lòng núi đá cẩm thạch dài 10km. Trong hang có đường thông gió lên thẳng đỉnh núi, làm cho không khí trong lành mát dịu. Hồ nước có nhiều loài cá lạ hấp dẫn.

Một ngày ở Xuân Sơn khí hậu thay đổi 4 mùa: buổi sáng mát mẻ, trong lành như mùa xuân; buổi trưa ấm áp như mùa hè; buổi chiều hiu hiu như mùa thu; buổi tối trời se lạnh.

Với tiềm năng du lịch to lớn thuận lợi để phát triển nhiều loại hình du lịch. Xuân Sơn đang là điểm thu hút du khách trong và ngoài nước.