La región de Torotoro está compuesta por una complejidad de cadenas andinas que genera una sucesión de pisos ecológicos que van desde los valles mesotérmicos hasta la puna subhúmeda, pasando por el piso prepuneño (Navarro & Ferreira 2007), situación favorable para la ocurrencia de diversos ecotipos y por lo tanto una variedad de especies. Las unidades de vegetación identificadas en el Parque Nacional Torotoro se encuentran en el estudio elaborado por Navarro y Wanderley Ferreira (2007), en el cual se describe la zona biogeográfica Boliviano – Tucumano. Las unidades de vegetación presentes en la región son: a) Khewiñar subhúmedo altimontano boliviano – tucumano septentrional; b) Pajonales y matorrales montanos y altimontanos y vegetación saxícola de la Ceja de Monte boliviano-tucumana y c) Bosque seco interandino de Soto de la Cuenca del Río Caine.
El PNTT no ha sido visitado por expediciones botánicas específicas, pero según nuevos datos para la elaboración de su Plan de Manejo (2009), existen 359 especies de plantas vasculares y no vasculares, de las cuales 20 especies son endémicas para el país, siendo 4 especies solamente conocidas localmente (BCEOM-CONICOM 1998, Torrico & Lara 2000; García et al. 2006).
Existen especies del Bosque Deciduo como el quebracho (Aspidosperma quebracho-blanco), el soto (Schinopsis haenkeana) y el pino de monte (Podocarpus parlatorei). Actualmente sólo existen relictos de la vegetación natural a causa de un fuerte impacto antrópico. En el Bosque Deciduo de Llama Chaqui destacan manchones de Podocarpus parlatorei, mara macho (Cardenasiodendron brachypterum) y mara blanca (Loxopterigium grisebachii), en las partes altas existen restos de matorrales de queñua (Polylepis).
