Vegetace obou údolí je velmi pestrá. V místech, kde je údolí Oslavy rozšířeno se nachází polokulturní nivní louky. V pomalejších úsecích pobřežní zóny zarůstá porosty rákosin.

Lesy v okolí přírodního parku na rovinatých terénech nad údolím mají pozměněnou dřevinnou skladbu vysazováním jehličnatých stromů, jako jsou smrk ztepilý (Picea abies) a borovice lesní (Pinus sylvestris). Na prudkých a dosti skalnatých svazích mají lesy charakter přírodě blízkým porostům. Na teplých a výslunných svazích rostou teplomilné doubravy s dubem zimním (Quercus petraea), na skalních ostrožnách mohou být s reliktním zastoupením borovice lesní (Pinus sylvestris).  Ze vzácnějších dřevin se na svazích nacházejí druhy jako jeřáb břek (Sorbus torminalis), třešeň křovitá (Prunus fruticosa) a dřín obecný (Cornus mas). Porosty jsou velmi rozvolněné, často se zde nachází místa s lesostepní vegetací s teplomilnou květenou. Ze vzácnějších druhů zde nalezneme v brzkých jarních měsících český endemit skalních ostrožen křivatec český (Gagea bohemica). Později se na skalkách objevuje například chrpa chlumní (Centaurea triumfettii).

V teplomilných lesích vyrůstají druhy jako vemeník zelenavý (Platanthera chlorantha), okrotice bílá (Cephalanthera damasonium) či jednen z nejjedovatějších druhů naší republiky oměj vlčí mor (Aconitum lycoctonum). V místních lesích je velmi častý brambořík nachový (Cyclamen purpurascens), ostřice tlapkatá (Carex pediformis), ostřice chlupatá (Carex pilosa), hlístník hnízdák (Neottia nidus-avis) lilie zlatohlavá (Lilium martagon), lýkovec jedovatý (Daphne mezereum) či okrotice bílá (Cephalanthera damasonium). V teplomilnějších lesích najdeme porosty kamejky modronachové (Lithospermum purpurocaeruleum), v jarních měsících lesní podrost probarví dymnivka plná (Corydalis solida) a porosty sasanek hajních a pryskyřníkových (Anemone nemorosa, Anemone ranunculoides). Na úbočích svahů se nachází společenstva suťových lesů.

Zvonek hadincový	Křivatec český

Nelesní krajina je v přírodním parku velmi pestrá. Je tvořena mozaikou polí, luk, travobylinných lad, ovocných sadů, pastvin. Na hranách údolí nalezneme mnoho lokalit suchých trávníků a lesních lemů s teplomilnými společenstvy rostlin i živočichů, které jsou v naší krajině velmi cenné. Ojediněle se tyto společenstva nachází také na hadcovém podloží. Nejznámější lokality teplomilné vegetace jsou nad pravým břehem řeky v okolí Nové vsi a Oslavan. Na těchto stepních lokalitách se brzy na jaře objevuje například křivatec český (Gagea bohemica) a koniklec velkokvětý (Pulsatilla grandis). Dále se tu nachází vzácné druhy jako kavyl chlupatý (Stipa dasyphylla), koniklec luční český (Pulsatilla pratensis subsp. bohemica) zvonek hadincový (Campanula cervicaria), len tenkolistý (Linum tenuifolium), smil písečný (Helichrysum arenarium) apod. Na podzim se stráně pokryjí svojí fialovou a žlutou barvičkou teplomilná hvězdnice chlumní (Aster amellus) či hvězdnice zlatohlávek (Aster linosyris).

Menší lokality suchých trávníků se nacházejí severně od obce Senorady a najdeme zde velmi početnou populaci koniklece velkokvětého (Pulsatilla grandis). Další velmi cenná lokalita teplomilných společenstev se nachází v západní části přírodního parku a je chráněna v přírodní rezervaci Údolí Oslavy a Chvojince. Rezervace se rozkládá mezi soutokem obou řek a městy Náměšť nad Oslavou a Kralice nad Oslavou. Chrání velmi hluboce zaříznutá údolí řek, kde se dochovala přírodě blízká lesní vegetace, která je tvořena pestrou mozaikou lesních, skalních a lesostepních společenstev. Její nejcennější část se nachází v okolí zříceniny hradu Levnov, kde se na strmých svazích zachovaly fragmenty dřínových doubrav. Dřevinné patro zde tvoří dub zimní (Quercus petraea) doprovázen dřínem obecným (Cornus mas) a třešní mahalebkou (Prunus mahaleb). Duby jsou tu dost rozvolněné a místy tvoří spíše lesostepní společenstva. Na skalních ostrožnách se dub střídá s borovicí lesní (Pinus sylvestris), u které se předpokládá, že je v rezervaci původní. Na extrémních stanovištích skal a sutí jsou plochy nelesní vegetace například se vzácným lomikámenem trsnatým (Saxifraga rosacea). Největší zajímavostí rezervace je výskyt jediné populace v České republice orchideje jazýčku jaderského (Himantoglossum adriaticum) v teplomilné doubravě a širokolistých suchých trávnících v okolí Ketkovického lomu (U Plánice). Druhově bohaté jsou lemy teplomilných doubrav a dubohabřin, kde nacházíme porosty kakostu krvavého (Geranium sanguineum), omanu oko Kristovo (Inula opulus-christi) a černýše hajního (Melampyrum nemorosum). Tento černýš není jediným na území parku, můžeme tu najít taky vzácnějšího příbuzného černýše hřebenitého (Melampyrum cristatum).

Velmi bohatá je také flóra mechorostů a lišejníků. Jedním z nejvýznamnějších druhů mechů je dvouhrotec zelený (Dicranum viride), který byl zaznamenán na kmenech stromů v porostu dubohabřiny na břehu Oslavy s názvem U Vlasáka. Dalšími druhy jsou například Grimmia plagiopodia, Didymodon acutus, Orthotricha lyellii.