Богат и разнообразен растительный мир заповедника. Его флора насчитывает более 960 видов высших растений. Редкими являются более 50 видов, 28 из которых занесены в Красную книгу Казахстана. В нижнем поясе гор – это абрикос, курчавка Мушкетова, яблоня Сиверса, крайне редко встречается яблоня Недзвецкого, каркас кавказский, гимноспермиум алтайский. На остепнённых южных склонах встречаются тюльпаны Колпаковского и Островского, очень редко ирис Альберта и иридодиктиум Колпаковского. В среднем поясе обычен ревень Виттрока, очень редки хохлатка Семёнова, желтушник оранжевый, остролодочник алма-атинский, адонисы – золотистый и тянь-шаньский, кортуза Семенова. Но самые редкие и оригинальные краснокнижные виды встречаются в труднодоступных высокогорьях заповедника: сибирка тянь-шаньская в верховьях Шилика, совершено необычная по внешнему облику соссюрея обвернутая в верховьях Правого Талгара и по окраинам ледника Корженевского, паутинисто-пушистая и в то же время колючая шмальгаузения на древних моренах Есика и Шилика. В верховьях Есика впервые были собраны и описаны такие редкие эндемики как пастернаковник ледниковый и наголоватка алма-атинская. Только в долине этой реки найдена крупноплодная и необычайно ароматная смородина Янчевского, на луговых склонах реки Правый Талгар – ястребинка кумбельская, в долине Среднего Талгара и верховьях Шилика – оригинальная вероника алатавская с белоснежными цветками. Обширна группа кормовых растений, в том числе злаки (пырей ползучий, ячмень туркестанский, костер безостый, лисохвост луговой, овсяницы, мятлики, ежа сборная), осоки, бобовые (виды люцерны, клевера, горошка, чины) и другие. Из пищевых наиболее значимы дикие плодово-ягодные: яблони, абрикос, барбарис, смородина Мейера, рябина тянь-шаньская, боярышники, костяника, малина, ежевика, земляника, облепиха. Повсеместно встречаются лекарственные растения: хвощ полевой, хмель, шиповники, солодка уральская, жостер слабительный, зверобой продырявленный, мать-и-мачеха, пустырник туркестанский, душица обыкновенная, патриния средняя, девясил высокий, тысячелистник обыкновенный, значительная часть которых признана научной медициной. Такие растения, как кодонопсис ломоносовый, иван-чай узколистный, борец джунгарский, чистотел, живокость илийская и т.д., являются испытанными народными средствами. С ранней весны ландшафты заповедника украшают декоративные растения. Первыми раскрываются шафран алатауский и гусиные луки, чуть позже – тюльпаны, ирис Альберта, эремурусы – мощный и алтайский, пион промежуточный, иксиолирион татарский. В начале лета зацветают ярко-оранжевые купальницы, жёлтые лютики, белые анемоны, разноцветные фиалки, голубые незабудки, темно-пурпуровые водосборы. На смену им приходят более позднецветущие астры, мелколепестники, горечавки, ястребинки. Это буйство красок продолжается до конца лета, а в альпийском поясе, близ тающих снежников, вплоть до самой зимы.