保护区植被类型多种多样，根据《山西植被》的自然植被分类系统将灵空山自然保护区划分为6个植被型组，6个植被型，8个植被亚型，27个群系。主要有针叶林、针阔叶混交林、阔叶林、灌丛等植被型组。随着气温和雨量的变化，植被呈明显的垂直分布。主要植被类型的垂直分布规律为：海拔1350m~1500m为落叶阔叶灌丛、灌草丛及草丛带，主要有沙棘灌丛，土庄绣线菊灌丛，黄刺玫灌丛，荆条、酸枣、白羊草灌草丛，蒿类草丛等；海拔1500m~1800m为落叶阔叶林及针阔叶混交林带，主要植被类型为落叶阔叶林(如山地落叶阔叶杂木林、山地杨桦林)和针阔叶混交林，有油松林，辽东栎林，鹅耳枥、槭、漆杂木林，山杨林，白桦林；海拔1800m~2056m为针叶林带，主要植被类型为针叶林，如华北落叶松林等。

根据科考调查结果及统计表明，保护区内共有种子植物95科407属816种，占山西省种子植物的63.8%，47.5%，35.6%，其中，裸子植物2科3属5种，分别占山西省裸子植物的28.6%，23.1%，20.0%；被子植物93科404属811种，占山西省被子植物的65.5%，47.9%，35.8%。共有孢子植物2门21科33属47种，其中苔藓7科14属15种；蕨类植物14科19属32种。