Dosadašnjim terenskim istraživanjima, napravljen je popis i kartiranje flore te utvrđeno postojanje 532 taksona (popis flore u prilogu). Prema analizi životnih oblika, flora Parka pripada mediteranskom području s najvećim udjelom terofita (41%) koji nepovoljno doba godine preživljavaju u obliku sjemenki. U klimatskim uvjetima koji vladaju u ovom području razvijene su vazdazelene šume alepskog bora i hrasta crnike (as. Querco ilicis – Pinetum halepensis). Ove zajednice zastupljene su na području Grpašćak – Stivanjska gora – Mrzlovica te na više drugih manjih lokacija.Sustavno krčenje, paljenje i ispaša te iskorištavanje drva za ogrjev doveli su do toga da se šume crnike nisu očuvale nego su degradirale u makiju i garig (as. Cisto – ericetum arboreae). Ove zajednice bušinca i vrijesa najzastupljenije su na području Grpašćaka, Priseke te nekoliko manjih lokaliteta. U garizima, odnosno prorijeđenim šikarama, bušicima, redovito rastu bušinci (ljepljivi Cistus monspeliensis, dlakavi Cistus villosus i bijeli bušin Cistus salvifolius), a česti su vrijes metlaš (Erica arborea) i planika (Arbutus unedo). Na plićim tlima rasprostranio se alepski bor (Pinus alepensis).

Na južnom dijelu Dugog otoka, Katini, velom i Malom Buču, Gornjoj Abi i većini ostalih otočića u Parku, prevladavaju kamenjarski pašnjaci kovilja i kadulje (as. Stipo – salvietum officinalis brachypodietosum ramosi) kojima dominira trava razgranjena kostrika (Brachypodium ramosum) koja na tlu čini gust tepih.

Zapuštanje ovčarstva posljednjih nekoliko desetljeća uzrok su zarastanja kamenjarskih pašnjaka šmrikom (Juniperusoxycedrus). Mješavinu pašnjaka kadulje i kovilja s elementima čistih jadranskih šuma i makija (as. Stipo – salvietumofficinalisetQuercetumilicisadria – provinciale) nalazimo na Koženjaku, Brčastcu, V. Dočiću, u pojasu Čelo – Ostrvica te na Artaku, dok mješavinu pašnjaka kadulje i kovilja s elementima čistih jadranskih crnikinih šuma i makija, stadij tršlje i mirte (as. Stipo – salvietumofficinalisetQuercetumilicisadria – provinciale, stadij Pistacialentiscus – Myrtuscommunis) nalazimo na otoku Katina. Na golim klisurastim odsjecima stijena uz južne obale do rta Lopata, kao i ukanjonskoj uvali Čuška Dumboka te na Sestricama i Garmenjaku u zoni prskanja mora, razvijena je endemska zajednica busine i dubrovačke zečine (as. Phalango – centauretumragusinae).

Na strmcima još dolazi i drvenasta mlječika Euphorbiadendroides kojoj je Telašćica najsjevernije nalazište. Nju nalazimo i na otoku Sestrica Vela. Na Sestricama je zamjetljiva još i zajednica Festuco – koelerietumsplendentis unutar sastojina kadulje i kovilja. Zajednica mrižice (as. Plantagini – staticeum cancellatae) zastupljena je u relativno malim arealima u zoni zaslanjivanja ili prskanja mora, u uskom obalnom pojasu.

Flora Parka obiluje endemičnim biljkama. Među njima se ističe podvrsta dubrovačke zečine – dugootočka zečina (Centaurea ragusina ssp. lungensis) koja raste samo na Dugom otoku i Kornatima. Strogo je zaštićena vrsta, no zbog nepristupačnih stijena na kojima raste, ipak nije ugrožena čovjekovom aktivnošću.

Na stjenovitim obalama i u garizima raste endemična srednjodalmatinska vrste staliova lazarkinja (Asperula staliana). Krajem proljeća i ljeti na kamenjarskim travnjacima ističe se ilirska perunika (Iris adriatica), a u kolovozu i rujnu se na istom staništu može naći endem pustenasto devesilje (Seseli tomentosum). Na kamenitim staništima na kojima je tlo oskudno raste dalmatinski buhač (Tanacetum cinerarifolium). Ovdje se nalazi i jadranski lastavičnjak (Vincetoxicum hirundinaria ssp. adriaticum). Na strmcima raste srebroliki slak (Convolvulus cneorum), rijetka i reliktna vrsta hrvatske flore čiji areal se potpuno preklapa s arealom dubrovačke zečine, a najsjevernije nalazište ove grmolike vrste je upravo strmac unutar Parka. Od ostalih endemičnih vrsta tu su izverugana gromotulja (Aurinia sinuata), bijela šupaljka (Corydalis acaulis), dalmatinska djetelina (Trifolium dalmaticum) i ostalih 15 vrsta. Za floru Parka značajno je i deset vrsta orhideja koje su Zakonom strogo zaštićene.

Čovjekovim posredstvom na ovo područje unijet je alepski bor (Pinus alepensis), sađen nakon Drugog svjetskog rata, a zatim se počeo intenzivno širiti sa starijih nasada pored Grpašćaka prema uvali Mir i dalje do slanog jezera i sve do južnih dijelova otoka, s dosta čempresa (Cupressus sempervirens) i rijetkim pinjolom (Pinus pinea).

U posljednje vrijeme su primijećene i neke invazivne, alohtonevrste, a na području Parka zabilježeno je sedam svojti sa statusom invazivnih vrsta. Ni jedna od zabilježenih invazivnih svojti na području Parka nije uočena na većim površinama i s većom gustoćom, no s obzirom na njihovo trenutno rasprostranjenje uz frekventnije prometnice i mjesta zadržavanja većeg broja ljudi, treba obratiti pažnju i pratiti stanje njihovih populacija.