Леса на плато Самарской Луки (в отличие от горных) в прошлом почти все были вырублены, поэтому здесь практически нет сосняков и высокоствольных дубрав. О существовании их в недалеком прошлом свидетельствуют редкие единичные сосны или небольшие группы среди осинников и липняков, а также участки порослевого дубового леса. Кроме того, на плато Самарской Луки на бывших вырубках сформировались довольно крупные участки лещинников с примесью липы, поскольку поросль других лиственных пород (клена, дуба, осины) сильно повреждается лосями. Восстановление лесов на таких вырубках задерживается на десятилетия, но липняки формируются быстрее. В долинах наиболее крупных оврагов на плато (Хмелевого, Безымянного, Ширяевского) развита луговая растительность. Весьма интересна высокотравная растительность Хмелевого оврага со значительным участием короставника татарского, дягиля лекарственного, купыря лесного, чины лесной, валерианы волжской, зорьки и др.
В зоне контакта лесного массива плато с лугово-степной растительностью долины Ширяевского оврага встречаются травянистые сообщества с доминированием купальницы европейской, горицвета весеннего, василька русского, а также лесные опушки с преобладанием черемухи, дикой яблони, клена татарского.
Кроме того, Жигули известны обилием грибов, произрастающих на лесистых склонах: маслята, опята, вешенки, мухоморы и пр. Характерный гриб — сыроежка, который можно встретить в Жигулях практически везде.
На территории заповедника и его ближайших окрестностей к 1984 г. отмечено 213 видов наземных позвоночных, которые постоянно живут здесь или регулярно ее посещают. Среди них — 40 видов млекопитающих, 158 — птиц, 7 — пресмыкающихся и 8 видов земноводных. Млекопитающие относятся к 6 отрядам: насекомоядных (5 видов), рукокрылых (6), грызунов (15), зайцеобразных (2), хищных (9) и парнокопытных (3 вида). Среди птиц — представители 14 отрядов. Как и везде в средней полосе, наиболее разнообразны воробьиные (79 видов). Орнитофауну заповедника отличает большое число дневных хищников (15 видов), гусеобразных (14) и дятлообразных (7 видов). Остальные отряды птиц представлены 1—6 видами. Среди пресмыкающихся 3 вида ящериц и 4 вида змей, среди земноводных преобладают бесхвостые (7 видов).
По состоянию современной численности 101 вид (25 — млекопитающих, 70 — птиц, 3 — пресмыкающихся и 3 — земноводных) можно считать фоновыми, многочисленными и обычными; остальные 112 видов на территории заповедника редки. Все пресмыкающиеся, земноводные и большая часть видов млекопитающих постоянно обитают на заповедной территории; среди птиц оседлых — 28 видов, гнездящихся — 77, пролетных — 41, зимующих — 4 и залетных — 8 видов. В зоогеографическом плане (Юргенсон, 1981) в фауне наземных позвоночных преобладают широко распространенные виды и представители -фауны широколиственных лесов. Северные виды среди млекопитающих составляют 12%, птиц — 10, пресмыкающихся и земноводных — 7%.
В заповеднике нет млекопитающих, пресмыкающихся и земноводных, редких для фауны России, но 3 вида птиц (орлан-белохвост, скопа и беркут) занесены в Красную книгу. Первые два регулярно гнездятся в заповеднике, беркут лишь редко залетает
Фауна беспозвоночных животных изучена недостаточно, хотя известно более 1,5 тыс. насекомых, однако это только около четверти их видового разнообразия. Среди насекомых заповедника 5 видов занесены в Красную книгу СССР (1978): альпийский усач, восковик-отшельник, степной шмель, дыбка степная и черный аполлон. В вышедшую в 1983 г. Красную книгу РСФСР занесен 21 вид энтомофауны заповедника. Однако говорить о существенной роли заповедника в сохранении генофонда этих животных пока нет реального основания, поскольку методы оценки численности редких видов и контроля за состоянием их популяций практически не разработаны.
За полувековой период заповедного дела в Жигулях численность охотничье-промысловых животных изменялась. Наиболее показательна в этом отношении история копытных животных. Единственный аборигенный представитель этой группы — лось. К моменту организации первого заповедника на Самарской Луке обитало стадо из 7 лосей. Повсеместный запрет на его добычу в сочетании с соблюдением заповедного режима способствовал росту популяции лосей. Их численность только на заповедной территории в предвоенные годы достигала 20—30, а в 1960 г. составила 40 голов. Много лосей обитало еще и на сопредельной территории. Максимума число лосей достигло к середине 70-х годов, превысив 300 голов, а в целом по Самарской Луке — 1 тыс. В эти годы были четко выражены сезонные миграции лосей: в начале зимы — из заповедника на соседние территории, куда их привлекало обилие лиственных молодняков на вырубках, а с началом весны — в заповедник, куда при повсеместном обилии корма их привлекал покой. В этот период единовременный максимум численности лосей в заповеднике в предзимний период и в начале зимы достигал 500 голов. С зимы 1975/76 г. началось снижение их числа до 300 голов в 1984 г. Основные причины этого: повышенная смертность в глубокоснежные зимы (особенно 1978/79 г.), резкое увеличение числа волков, ежегодный отстрел лосей за пределами заповедника, а также сокращение зимних пастбищ лосей. В настоящее время лоси предпочитают зимовать в постоянных местах заповедника, на которые они собираются в начале зимы.