Im Nationalpark weist das Klima Extreme auf, die sich durch die starke Gliederung der Landschaft erklären lassen. Die tief eingeschnittenen, canyonartigen Schluchten weisen ein kühles, feuchtes Kellerklima auf. Ursache dafür ist die geringe Sonneneinstrahlung und die schwache Windbewegung. Außerdem sind die teilweise bewuchslosen Felsriffe in den Sommermonaten starken Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht bis zu 60 Grad und in den Herbst- und Wintermonaten starken Windbewegungen ausgesetzt. Die Durchschnittstemperatur liegt bei 7° und ist im Elbtal höher als im Gebiet der Hinteren Sächsischen Schweiz. Die jährliche Niederschlagsmenge liegt bei 700-900 mm und ist im Elbtal am geringsten.
Ohne forstwirtschaftliche Nutzung würde das Gebiet des Nationalparks heute zum größten Teil aus Eichen- und Hainbuchenwäldern bestehen. In den letzten etwa 200 Jahren ist dieser Naturwald durch Fichtenwald ausgetauscht worden. Heute wird er allmählich in einen naturnahen Laubwald umgewandelt. Die starke Gliederung der Landschaft und die geologischen Störungen im Sandstein führen zu Besonderheiten in der Flora.
Gebiete mit früheren, vulkanischen Aktivitäten sind durch einen Buchenbestand gekennzeichnet. Typisch dafür sind das Gebiet um den Großen Winterberg, Raumberg und der Zeughausgang vom Goldstein bis Hinterhermsdorf. Im Frühjahr beeindrucken Buschwindröschen, Neunblättriger Zahnwurz und Hohler Lerchensporn.
Auf den freistehenden Felsriffen sind die Riffkiefernwälder dominant, die durch die Einwirkung von Wind teilweise den Windflüchtern ähnlich sind. Am Fuße der Felsen fällt die leuchtend gelbe Schwefelflechte auf. Vereinzelt sind an den Hängen Weißtannen zu finden.
In den Schluchten kommt es aufgrund des Kellerklimas zu einem reichen Vorkommen an Farnen und Moosen, besonders im Uttewalder Grund. Im Kirnitzschtal zwischen der Oberen und Unteren Schleuse und zwischen der Neumannmühle und Bad Schandau haben sich kleine Auenwiesen gebildet. Die Bodenvegetation, soweit vorhanden, besteht aus Heidekraut, Farnen und Heidelbeeren. Als weitere Pflanzen im Bodenbereich sind der Sumpfporst und das Fuchse Kreuzkraut zu erwähnen. Auf feuchten Felsflächen (Schichtfugen, Mundlochbereiche von Höhlen) wächst ganzjährig das an geringste Lichtverfügbarkeit und saure Wässer gut angepasste Leuchtmoos.
