На территории национального парка произрастает около 1800 видов высших растений, в том числе 22 вида редких, занесенных в Красную книгу. Среди них особенно интересны реликты (астрагал джимский, ферула илийская) и эндемики: тюльпаны - Альберта и короткотычиночный, Мак павлиний (красивейший весенний цветок), смолевка Муслима, барбарис илийский, чезнея жунгарская, астрагал копальский, водосбор Виталия, кахрис Гердера, морковник скальный, волосореберник Голоскокова. Вдоль русла реки Или произростает Туранга, в полупыстынных районах встречается лес Саксаула.
Большинство растений парка обладают полезными свойствами. Многие из них служат кормовыми объектами для диких животных. Семена и плоды поедают птицы и мышевидные грызуны, а вегетативные части - копытные. Особенно ценны ковыль восточный, костер японский, курчавка кустарниковая, кейреук, боялыч, саксаул черный, гониолимон красивый, полынь белоземельная и другие. Имеются здесь и медоносные (чингил, верблюжья колючка, карагана), эфиромасличные (тимьян, зизифора, змееголовник), лекарственные растения и т.д.