La variabilità geomorfologica, e climatica del bacino del fiume Cecina, la sua ampia escursione altitudinale nonché la sua collocazione in un’area climatica di transito tra la regione europea e quella prettamente mediterranea consentono l’esistenza di una copertura vegetale notevolmente diversificata in cui convivono tipi di vegetazione tipici delle zone costiere mediterranee con boschi simili a quelli di aree dell'Europa centrale; la vegetazione risulta poi  ulteriormente frammentata e differenziata in funzione della presenza millenaria dell’uomo. Dai boschi e macchie di  sclerofille sempreverdi mediterranee della zona basale e delle aree più calde si arriva nelle zone più interne e di maggior quota, a tipologie forestali  nettamente  mesofile, con una copertura complessiva tra le più alte a livello regionale e con specie spesso normalmente diffuse in aree montane.

I boschi sono da sempre stati intensamente sfruttuati per la produzione di legna da ardere e carbone che è proseguita fino agli anni '60. Oggi il carbone non viene più prodotto mentre è in ripresa il mercato della legna.

I principali tipi di vegetazione individuati sono i seguenti:

Boschi e macchie di  sclerofille sempreverdi mediterranee, distinti in:

Boschi  mesofili a dominanza di leccio: in virtù dell’elevata plasticità ecologica del leccio (resiste all'aridità ma ama anche situazioni più favorevoli), nelle situazioni più fresche e fertili, si trovano leccete  mesofile con partecipazione di latifoglie esigenti di umidità come il carpino nero, l’acero campestre, il frassino, il melo selvatico.
Boschi  termofili di leccio: si tratta per lo più di  cedui  invecchiati, su versanti di limitata pendenza e suolo di una certa profondità, con assoluta dominanza del leccio e sottobosco limitato allo strato arbustivo a prevalenza di viburno.
Macchie di  sclerofille sempreverdi: formazione composta da arbusti e piccoli alberi, in gran parte derivanti dalla degradazione di preesistenti boschi di leccio, a causa di intense utilizzazioni forestali. Insieme a questa specie, compaiono arbusti come lentisco, fillirea, alaterno, corbezzolo, mirto, eriche, ginepri, nonché piante lianose e spinescenti come lo stracciabrache. Il sottobosco è costituito da ciclamini, pungitopo e tappeti di edera.
Boschi misti di  sclerofille sempreverdi e latifoglie decidue: comunemente denominata “forteto” e anche “macchia”, è il tipo di vegetazione piu’ diffuso. Questi boschi sono dominati dal leccio in consociazione con fillirea, viburno e corbezzolo; è sempre presente un discreto contingente di latifoglie decidue soprattutto  termofile meno esigenti termini di umidità, come orniello, acero minore, e sorbo domestico.

Boschi di latifoglie decidue del piano collinare e sub-montano, distinti in:

Boschi  termofili di roverella e cerro: si tratta di boschi misti a prevalenza di cerro e roverella, ma spesso con buona partecipazione di  sclerofille sempreverdi, soprattutto nello strato arbustivo ed arboreo dominato.
Boschi di rovere su serpentino: formazione esclusiva di alcuni versanti settentrionali della foresta di Monterufoli, dove la rovere si trova al limite del proprio areale di diffusione. Insieme a molte specie  termofile dei boschi mediterranei, ospita interessanti elementi della flora terziaria come alloro e tasso.
Boschi di latifoglie  mesofile a dominanza di cerro: in gran parte disposti sui versanti settentrionali e negli impluvi più freschi, presentano una flora forestale molto ricca con cerro, rovere, carpino bianco, acero campestre, melo selvatico, ciavardello, frassino, nonché agrifoglio. Anche la flora erbacea è ben rappresentata da specie  mesofile e  mesoigrofile.
Boschi  mesofili a dominanza di rovere: formazioni poco diffuse sia in Toscana, sia a livello nazionale, sono distribuite sui versanti settentrionali della Macchia di Tatti (Bosco di rovere di Tatti) e a piccoli nuclei in altre limitate aree (come nella foresta di Caselli). La rovere (Quercus petraea) si trova consociata a specie come il carpino bianco, il pioppo tremulo, l’olmo, ed in misura minore, al cerro, al sorbo domestico ed al ciavardello in una foresta assimilabile ai querceti del centro Europa, anche se la presenza di specie della macchia segnala lo stretto contatto con la regione mediterranea. Notevole la presenza di agrifoglio ed assai significativa la flora erbacea.
Boschi misti di latifoglie decidue  mesofile con faggio: nell’area più montana del bacino, su versanti settentrionali tra i 600 e 900 metri, in zone poco accessibili e probabilmente poco disturbate come ad esempio Fontalcinaldo, sono presenti boschi di particolare pregio. Si tratta di boschi misti di cerro, carpino nero, carpino bianco, con faggio (Fagus sylvatica) ben rappresentato, caratterizzati da un notevole numero di specie arboree: oltre alle specie già citate sono presenti tiglio (Tilia cordata), acero di monte (Acer pseudoplatanus), nocciolo maggiociondolo (Laburnum anagyroides), nespolo (Mespilus germanica), corniolo (Cornus mas), Crataegus levigata, e molte specie erbacee tipiche dei boschi montani Nella parte alta del Poggio di Montieri sono presenti veri e propri nuclei di boschi appenninici a dominanza di faggio.
Formazioni miste di forra: presenti negli impluvi stretti e profondi (forre), si sviluppano per le particolari condizioni microclimatiche rispetto ai versanti circostanti, soprattutto in seguito a fenomeni di  inversione termica. Sulle pendici sono presenti varie latifoglie con querce e frassino (Fraxinus oxycarpa), mentre su pendenze elevate e suolo roccioso prevale il carpino nero nella parte pianeggiante del fondo degli impluvi sono presenti formazioni lineari miste con carpino bianco, ontano nero, pioppo nero, pioppo tremulo, salici.
Castagneti: anche se di origine artificiale questi boschi possiedono un alto valore ecosistemico, culturale e paesaggistico. La diffusione del castagno per la produzione di farina è avvenuta soprattutto nel periodo medievale.
Sono distribuiti nelle porzioni piu’ elevate del bacino con boschi ad alto fusto gestiti per la produzione del frutto e  cedui derivati per taglio o abbandono di preesistenti castagnete da frutto; in seguito alle scadenti condizioni sanitarie dovute al cancro del castagno (diffusosi in Italia alla fine degli anni '40) e soprattutto al minor intereresse per la produzione di farina, molte castagnete sono state abbandonate.

Vegetazione delle   garighe, comprendente:

Mosaici di boscaglie rupestri: (vedi:  Garighe su affioramenti ofiolitici) si tratta di  garighe naturali di tipo rupicolo, localizzate in stazioni scoscese e fortemente rocciose, ricche dal punto di vista floristico, con copertura non superiore al 50%. Presentano elevato valore naturalistico per la presenza, nelle zone interne, di alcune piante rare in ambiente mediterraneo, come Campanula medium e Lilium croceum.
  garighe su affioramenti ofiolitici: su affioramenti di serpentina, substrato roccioso assai inospitale ( per l’elevata concentrazione di metalli pesanti e la scarsa presenza di calcio, le caratteristiche fisiche negative, lo scarso grado di degradazione della roccia) è presente una particolare vegetazione, composta da numerose entità specializzate ( endemismi ecologici come Alissum bertolonii, Armeria denticulata, Stipa etrusca, ecc.) e da specie con spiccati adattamenti morfologici e fisiologici (nanismo, piante striscianti,ecc.). Le  garighe di serpentinofite sono mosaicate con vegetazione a  gariga arbustata ( con ginepro rosso, fillirea, mirto, leccio); nonché con macchie arborate ( con tasso alloro, agrifoglio).
Boschi di conifere: si tratta di impianti artificiali realizzati soprattutto tra il 1930 ed il 1960 che interessano aree abbandonate dalle attività agricole, e in molte zone realizzati a scopo di difesa idrogeologica. Sono costituiti da pinete di pino domestico, pino marittimo, pino d’aleppo e pino nero ed in alcuni casi con altre conifere come abete bianco e duglasia (Pseudozuga menziesii) o latifoglie come l'ontano napoletano (Alnus cordata), pianta  endemica dell'Appennino meridionale. Esistono anche piccoli nuclei a dominanza di cipresso toscano (Cupressus sempervirens) e di cipressi americani (Cupressus macrocarpa e Cupressus glabra). Sporadicamente diffusi anche il cedro dell'Atlante (Cedrus atlantica) e il cedro dell'Himalaya (Cedrus deodara).

Altre emergenze floristiche e vegetazionali:

Relitti di vegetazione  naturale lungo i corsi d'acqua.
Lungo le rive, nei numerosi tratti ad elevata naturalità presenti nei vari corsi d’acqua del bacino, è particolarmente evidente l’alternanza delle varie formazioni arboree, arbustive ed erbacee sviluppate parallelamente al corso d’acqua con salici, pioppi, ontani, olmi, frassini ecc.
Vegetazione pioniera delle argille  plioceniche. Nelle zone calanchive e sulle biancane si sviluppa una paticolare flora erbacea con Artemisia cretacea, pianta  endemica delle argille toscane e dell’Emilia Romagna. Diffuso anche il carciofo selvatico.
Vegetazione delle aree di alterazione geotermica. Nelle aree dove sono visibili le Manifestazioni naturali geotermiche si forma una   flora  endemica di aree a forte emissione di anidride carbonica e una flora di suoli particolarmente acidi, rispettivamente, Agrostis canina ssp. Montelucci ed il brugo (Calluna vulgaris). Spettacolari le fioriture del brugo ad inizio autunno che ricordano in piccole le estese brughiere dell'Europa settentrionale.
Aree con flora relittuale terziaria (vedi: Le specie relitte)  caratterizzate da alloro, tasso, agrifoglio, periploca greca, che facevano parte della vegetazione sub-tropicale prima delle glaciazioni  quaternarie.
Boschi relitti di farnia (Quercus robur L.) sulle argille  plioceniche tra la Val di Cecina e la Val d’Era, prima sicuramente molto più diffusi su aree oggi ad uso agricolo.
Flora degli affioramenti calcarei delle Colline Metallifere (es. viola etrusca).

Di particolare interesse, inoltre, la famiglia delle orchidacee rappresentata da circa trentacinque specie.