Растительный мир заповедника включает 687 видов высших растений, что исключительно много для степной зоны.

Сосновые леса Наурзумского бора являются реликтовыми, так как они сохранились в малоизменённом виде с третичного или начала четвертичного периода.

Среди них 5 видов эндемиков, распространённых в Арало-Каспийском и Верхне-Тобольском флористических районах (берёза киргизская, астрагал Нины, астрагал Кустанайский, тимьян казахстанский, льнянка длинноплодная), а также 5 видов реликтовых: тонконог жестколистый, ковыль перистый, чий блестящий, кувшинка белая, селитрянка Шобера.

Во флоре наблюдается присутствие элементов как северной бореальной, так и южной флоры.

Из древних элементов болотно-лесной флоры найдены: телиптерис болотный, крапива двудомная, хмель обыкновенный, паслён горько-сладкий; бореальные виды, редкие для Северного Казахстана: хвощ зимний, осока двухтычинковая, пушица стройная, белозор болотный, черёмуха обыкновенная.

Ряд плиоценовых видов включает иву пепельно-серую, иву пятитычинковую, сабельник, лабазник вязолистый, дербенник иволистый, шлемник обыкновенный, зюзник европейский.

Два вида характерны для южных тугайных лесов: лох остроплодный и ломонос восточный.

На южной границе ареала находятся: маттеукция страусоперовая, можжевельник обыкновенный, смородина каменная, астра альпийская, астра алтайская. К диким сородичам культурных растений относится 44 вида, в том числе 6 редких для этого региона: тимофеевка луговая, боярышник алтайский, земляника зелёная, клевер лупиновый, лён многолетний, лён бледноцветный, лох остроплодный.

В Красную книгу Казахстана входит 5 видов: берёза киргизская, росянка круглолистная, наголоватка мугоджарская, тюльпан Шренка, тонконог жёстколистый. Всего особой охраны требуют 125 видов или 18 % флоры.