Die nährstoffreichen Muschelkalkböden sind der Grund für das Gedeihen der vielen Laubbaumarten im Hainich: Neben der dominierenden Rotbuche gibt es über 30 weitere Laubbaumarten.
Im Herbst wird der Artenreichtum durch die bunte Färbung besonders gut sichtbar. Auch die Frühblüher wachsen auf diesen Böden besonders üppig. Außerhalb des Waldes gibt es Magerrasen mit seltenen Pflanzen und großflächige Verbuschungsflächen mit Sträuchern und jungen Bäumen.
Auf den nährstoff- und basenreichen Böden des Hainich gedeiht der Waldgersten-Buchenwald mit besonders reichen Beständen an Frühblühern. Auffallend schön sind Märzenbecher und Hohler Lerchensporn, Leberblümchen, Waldveilchen, Buschwindröschen und Gelbes Windröschen, Bärlauch und Türkenbund. Insgesamt stehen bei der Flora weitverbreitete Arten im Vordergrund. Daneben gibt es aber, sowohl bei den rund 900 bisher nachgewiesenen Farn- und Blütenpflanzen als auch bei Moosen und Flechten, viele seltene und gefährdete Arten.
Im Nationalpark Hainich sind 26 Orchideenarten aktuell nachgewiesen. Einige der 16 Wald-Orchideen lassen sich am Wanderweg Sulzrieden oder entlang des Naturpfads Thiemsburg entdecken.
Der Nationalpark will "Natur Natur sein lassen". Besonderen Schutz gewährt er deshalb auch den Orchideen nicht. Wenn noch genutzte Wiesen und Weiden allmählich in Wald übergehen, wird im Laufe von Jahrzehnten auch manche Orchideenart verschwinden. Dafür werden sich die reinen Wald-Arten noch besser ausbreiten können.
Bizarr geformt und leuchtend locken Orchideenblüten Insekten an, die sie bestäuben. Doch erst durch die Symbiose mit bestimmten Pilzen leben Orchideen nach dem Abwurf ihrer Samen weiter. Den Winter überdauern sie in ihrer doppelknolligen Wurzel – einer absterbenden Mutterknolle aus dem Vorjahr und einer zweiten voller Kraft für einen neuen Sommer.