El clima de las glaciaciones cuaternarias provocó el desplazamiento de la vegetación europea hacia el sur, hacia ambientes menos rigurosos, encontrando en las montañas de Sierra Nevada un clima similar al de las áreas de origen. La alta montaña produce aislamiento y algunas de estas plantas desembocaron en nuevas especies o variedades, muchas de ellas vicariantes de algunas plantas alpinas o pirenaicas, originando gran número de endemismos propios de este macizo.
El parque nacional representa los "sistemas naturales ligados a la media y alta montaña mediterránea". Su diversidad biológica es otro de los valores ecológicos de Sierra Nevada, especialmente en lo que se refiere a la flora vascular, siemprevivas, dedaleras, tiraña, manzanilla de la sierra, violeta de Sierra Nevada, estrella de las nieves, amapolas de Sierra Nevada y acónitos... forman parte de las 2.353 especies vegetales descritas (de ellas, 66 endemismos exclusivos). Anfibios, reptiles, mamíferos, aves... suman unas 297 especies de vertebrados, con la cabra montés, habitual de las altas cumbres, como especie más característica del parque. Se registran unos 10.000 invertebrados destacando la rica entomofauna con 80 endemismos exclusivos, 120 especies de mariposas y 300 insectos endémicos que han adquirido caracteres específicos: su color negro, su tegumento duro y sin facultades para volar.
Sus formaciones vegetales de media y alta montaña están muy condicionadas por la meteorología.
Acerales (Acer granatense, A. monspessulanum) y quejigares (Quercus faginea) se instalan en zonas más húmedas de valles y umbrías. Los melojares (Quercus pyrenaica) se desarrollan sobre suelos ácidos en barrancos de las caras norte y sur. Los encinares (Quercus rotundifolia), con enebros, se sitúan entre los 1.300 y los 1.700 m, y pueden alcanzar los 1.900 m de altitud. La vegetación de las márgenes de ríos y arroyos actualmente se encuentra alterada.
Entre los 1.900-2.800 m (piso oromediterráneo), se desarrollan los pinares y sabinares, piornales y enebrales, con abundantes endemismos. Por encima de los 2.800 m, con condiciones climáticas adversas, pastizales de bajo porte con gran número de especies endémicas constituyen una de las imágenes más singulares de Sierra Nevada. En los fondos de circos glaciares, aparecen los "borreguiles", pastizales que crecen en ambientes húmedos, también ricos en especies endémicas. Abundan los canchales "cascajares", donde viven gran número de especies, con adaptaciones para resistir las inclemencias del clima.