Według podziału botanicznego obszar Parku położony jest na terenie Krainy Świętokrzyskiej (Okręg Łysogórski), tylko niewielki południowo-wschodni fragment znalazł się w granicach Krainy Miechowsko-Sandomierskiej (Okręg Staszowski).

Lasy stanowią jeden z głównych elementów w krajobrazie Parku. Zajmują one 63% jego powierzchni i 28% powierzchni otuliny. Główne typy siedliskowe występujące w Parku i otulinie to: las mieszany wyżynny, las świeży wyżynny, bór świeży i bór mieszany świeży.

Sosna i jodła - to główne gatunki budujące drzewostan. Występują odpowiednio na 60% i 25% powierzchni leśnych Parku i otuliny. Takie gatunki jak: olsza, dąb, buk, brzoza mają klikuprocentowy udział, a osika, wiąz, grab, jesion i klon stanowią jedynie domieszkę.

Obok zespołów roślinności leśnej w Parku występują zespoły roślinności torfowiskowej i turzycowiska, chronione w rezerwatach: torfowiskowym "Białe Ługi" i torfowiskowo-leśnym "Słopiec". Z roślin chronionych stwierdzono w nich: rosiczkę okrągło i długolistną, storczyki - błotnego i szerokolistnego, tajężę jednostronną, wątlika błotnego, a z rzadkich wełniankę pochwowatą, żurawinę błotną, borówkę bagienną.

Na terenie Cisowsko-Orłowińskkiego Parku Krajobrazowego występuje ok. 745 gatunków roślin naczyniowych, z czego 54 podlegają ochronie prawnej. 15 gatunków zaliczanych jest do rzadkich i zagrożonych wyginięciem na terenie kraju i 45 gatunków rzadkich i zagrożonych wyginięciem w regionie.

Rośliny występujące w Parku, objęte ochroną ścisłą to m.in.: widłaki - wroniec, goździsty, jałowcowaty i spłaszczony, skrzyp olbrzymi, paprotka zwyczajna, wierzba borówkolistna, goździk piaskowy, pełnik europejski, podkolan biały, wawrzynek wilczełyko, pomocnik baldaszkowaty, naparstnica zwyczajna, arnika górska, lilia złotogłów, śnieżyczka przebiśnieg, kosaciec syberyjski, buławik mieczolistny, listera jajowata, gnieźnik leśny, pokrzyk wilcza jagoda i mącznica lekarska.

Rośliny objęte ochroną częściową to: bluszcz pospolity, porzeczka czarna, kruszyna pospolita, pierwiosnka wyniosła, kalina koralowa, marzanka wonna i konwalia majowa, kopytnik pospolity.

Z roślin określanych jako rzadkie i zagrożone w regionie rosną m.in: widłak spłaszczony, paprotnik kolczysty, narecznica grzebieniasta, tojad dziobaty, czosnek niedźwiedzi i siatkowaty, arnika górska, parzydło leśne, turzyca bagienna, goździk piaskowy, kruszczyk błotny i siny, śnieżyczka przebiśnieg, bodziszek żałobny, kosaciec syberyjski, miesięcznica trwała i tłustosz pospolity.

Do Polskiej Czerwonej Księgi Roślin wpisanych jest 5 gatunków: wiśnia karłowata, wątlik błotny, sasanka wiosenna, wierzba borówkolistna i storczyk błotny.