Flora Dolina Zadzielska leży w obszarze przenikania się wpływów flory panońskiej i karpackiej. Ze względu na bardzo urozmaiconą rzeźbę terenu oraz znaczną głębokość doliny rezerwat znany jest z dużej różnorodności biocenoz (łącznie ok. 800 gatunków roślin) oraz występującej tu wyraźnie inwersji pięter roślinnych. Na chłodnym dnie doliny, na wysokości 300–400 m n.p.m. rosną gatunki górskie i subalpejskie, natomiast na jej brzegach, na wysokości 600–700 m n.p.m. liczne gatunki ciepłolubne i kserofilne. Na dnie kanionu spotkamy więc rosnące na naturalnych stanowiskach takie drzewa, jak świerk pospolity, modrzew europejski, sosna pospolita czy wierzba śląska, podczas gdy 300 metrów wyżej, na ograniczającym go płaskowyżu, występuje licznie ciepłolubny dąb omszony.
Z rzadkich lub zagrożonych gatunków rosną tu m.in.: pępawa Jacquina (Crepis jacquinii Tausch), urdzik węgierski (Soldanella hungarica Simk.), traganek (Astragalus vesicarius subsp. albidus), pszczelnik austriacki (Dracocephalum austriacum L.), aster alpejski w odmianie łysej (Aster alpinus subsp.