Với tổng diện tích 15.048 ha, vùng đệm 18.639ha, 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, trongđó 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 hóa, thuỷ hhóa 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. Đặc biệt, 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.
Bên cạnh đó, cộng đồng các dân tộc nơi đây hiện vẫn giữ được bản sắc văn hóa dân tộc của mình như trang phục, lễ hội, các hoạt động đời sống sinh hoạt hàng ngày như đan lát đồ dùng thủ công, dệt thổ cẩm, thêu, lễ cấp sắc, múa đâm đuống, múa xòe, uống rượu hoẵng, cơm lam..., những nét đẹp văn hóa đặc trưng của vùng đất các vua Hùng.
Vườn quốc gia Xuân Sơn có thể khai thác tốt nhiều loại hình du lịch như du lịch sinh thái, mạo hiểm, khám phá rừng, núi, hang động, các loài động thực vật; du lịch nghỉ dưỡng, nghiên cứu; du lịch cộng đồng tìm hiểu nét độc đáo trong đời sống sinh hoạt của cư dân bản địa, du khách có thể cùng sinh hoạt với người dân địa phương, tham gia các lễ hội truyền thống, các khâu sản xuất trong làng nghề.
HN