W dolinie Pod Ociemne występuje żyzna buczyna karpacka i lasy iglaste. W drzewostanie dominuje jodła pospolita i buk zwyczajny z domieszką grabu i jawora. W podszycie głównie leszczyna. Bogata flora. Z rzadkich w Polsce gatunków roślin stwierdzono tutaj występowanie kokoryczy żółtawej i irgi czarnej, a w 1988 r. storczyka kruszczyk błotny (Epipactis palustris). Wśród chronionych gatunków mchów występują zwiślik maczugowaty (Anomodon attenuatus) i miechera Bessera (Neckera besseri). W 2010 r. w dolinie znaleziono 161 gatunków grzybów wielkoowocnikowych, w tym 12, które w Pieninach występują tylko w tej dolinie, a także grzyby podziemne: czarnobrzuszek drobnozarodnikowy, podkorzeniak leszczynowy, Leucangium carthusianum, Hymenogaster arenarius, Hymenogaster rehsteineri, Hysterangium nephriticum. W latach 1987–1988 znaleziono dwa bardzo rzadkie, w Polsce zagrożone wyginięciem gatunki porostów: trzonecznica rdzawa Chaenotheca ferruginea i pawężnica psia Peltigera canina. Aby utrzymać skład gatunkowy planowana jest ochrona czynna: usuwanie zarastających młaki krzewów wierzb i świerków poprzez ręczne koszenie i ręczne usuwanie biomasy z młak oraz unikanie lokalizacji w dolinie ujęć wody.