CHKO Ponitrie sa nachádza na území dvoch, z prírodovedeckého hľadiska značne odlišných pohorí Tribeč a Vtáčnik, s čím bezprostredne súvisí aj rôznorodosť stanovištných podmienok (rôzna geologická stavba, nadmorská výška) a teda aj obrovská druhová pestrosť a skladba vegetácie. V rámci CHKO môžeme nájsť teplomilné, panónske druhy (najmä v južnej časti pohoria Tribeč, ktoré ovplyvňuje,,teplý dych“ Podunajskej nížiny), pohorie Vtáčnik je však už domovom horských karpatských druhov. V obidvoch pohoriach prevládajú lesné spoločenstvá: v pohorí Tribeč dubovo-hrabové, dubové a vo vyšších polohách bukové lesy, vo Vtáčniku nádherné zachovalé bučiny a zmiešané porasty buka a jedle.
Prirodzená nelesná vegetácia je ,,vytlačená“ na extrémne stanovištia – skaly, bralá a sutiny. Prevažnú časť nelesnej vegetácie tvoria druhotné (náhradné) rastlinné spoločenstvá, ktoré sa vyvinuli po odstránení pôvodných lesov. Takto vznikli aj veľmi vzácne suchomilné a teplomilné (tzv. xerotermné) spoločenstvá rastlín na karbonátovom podloží pripomínajúce stepi a lesostepi, ktorých vznik súvisí s osídlením v dávnych dobách a s klčovaním lesa kvôli pastve. Reprezentatívnu ukážku xerotermných spoločenstiev nájdeme v južnej časti pohoria Tribeč, v Zoborských vrchoch. Na jar sú niektoré miesta doslova posiate vzácnymi chránenými druhmi rastlín ako: kosatec nízky (Iris pumila), hlaváčik jarný (Adonis vernalis), krivec český (Gagea bohemica) a druhmi európskeho významu: ružovofialový poniklec veľkokvetý (Pulsatilla grandis) a jedna z najvzácnejších rastlín peniažtek slovenský (Thlaspi jankae). Táto nenápadná bielokvitnúca rastlinka bola pre vedu prvýkrát opísaná práve zo Zoborských vrchov, z vrchu Zobor (locus classicus=miesto prvopisu). Je endemitom Zoborských vrchov, Slovenského krasu a priľahlých maďarských pohorí, nikde inde na svete ho nenájdeme.
Vo svetlých lesoch, krovinatých stráňach, lesostepiach a okrajoch lesov sa ukrývajú botanické skvosty – majestátne orchidey: vstavač purpurový (Orchis purpurea), modruška pošvatá (Limodorum abortivum) a druh európskeho významu jazýčkovec východný (Himantoglossum caprinum) s nápadným predĺženým pyskom, ktorý je na konci rozštiepený do tvaru hadieho jazýčka. Dobre ukrytý je aj hrachor benátsky (Lathyrus venetus), ktorý sa nachádza na Slovensku iba v Zoborských vrchoch. Za zmienku určite stoja aj ďalšie chránené druhy rastlín: rumenica piesočná (Onosma arenaria), zlatofúz južný (Chrysopogon gryllus), sápa hľuznatá (Phlomis tuberosa), jasenec biely (Dictamnus albus), ruža roľná (Rosa arvensis), ale aj ostatné pre xerotermné spoločenstvá ,,bežné“ druhy rastlín.
Jarný aspekt vytvárajú nátržník piesočný (Potentilla arenaria) a mliečnik chvojkový (Tithymalus cyparissias), v lete sú nápadnými druhmi cesnak žltý (Allium flavum), divozel kukučkovitý a tmavočervený (Verbascum lychnitis, V. phoeniceum) a modrý veronikovec klasnatý (Pseudolysimachion spicatum). Na najsuchších skalnatých miestach rastú drobné sukulenty – rozchodník biely (Sedum album), rozchodník šesťradový (Sedum sexangulare) a skalničník srstnatý (Jovibarba hirta) ľudovo nazývaný „skalná ruža“. Bolo by ťažké vymenovať všetky zaujímavé druhy, pretože spoločenstvá na vápencoch patria k druhovo najbohatším. Prostredníctvom vhodných stanovištných podmienok, najmä karbonátového podložia, sa môžu šíriť xerotermné druhy rastlín z južnej časti pohoria Tribeč údolím Nitry smerom na sever.
Na západe a východe je pohorie Tribeč lemované geomorfologicky zaujímavými kremencovými hôrkami. Nikde inde na Slovensku nie je tak dobre vyvinutý fenomén kremencových hôrok. Rastie tu len niekoľko typických acidofilných (kyslomilných) na živiny nenáročných druhov rastlín, pretože pôdy, ktoré vznikli na kremencoch sú extrémne kyslé, kamenisté a chudobné na živiny. Skalné bralá, steny a sutiny, na ktorých sa aj napriek takýmto extrémnym podmienkam dokázala vyvinúť vegetácia, nízke presvetlené dubové porasty bizarných pokrivených tvarov, brezy, vresoviská, koberce machov a lišajníkov pôsobia rozprávkovým dojmom. V podraste nízkokmenných dubov tvorí rovnomerný podrast metluška krivolaká (Avenella flexuosa). Drobné kríčky reprezentuje najmä vres obyčajný (Calluna vulgaris), kručinka chlpatá (Genista pilosa) a miestami aj čučoriedka obyčajná (Vaccinium myrtillus).
Z kvitnúcich bylín sú typickými druhmi: pavinec horský (Jasione montana), smolnička obyčajná (Steris viscaria), ziabor širokolistý (Dalanum ladanum) a jastrabníky (Hieracium sp.). V štrbinách skál a sutinách môžeme nájsť papraď – sladič obyčajný (Polypodium vulgare) známy ako sladké drievko. Najvzácnejšou rastlinou kremencových hôrok je žltokvitnúca hrdobarka páchnúca (Teucrium scorodonia), ktorá sa vyskytuje na Slovensku iba v pohorí Tribeč.
Na rozhraní pohorí Tribeč a Vtáčnik, vo Veľkopoľskej brázde, je krajinársky veľmi zaujímavá oblasť tzv. štálového osídlenia. Roztrúsené samoty (štále) sa striedajú s pasienkami, lúkami, ornou pôdou a lesmi a vytvárajú tak esteticky príťažlivú krajinu, krásny príklad spolužitia človeka a prírody. V tejto oblasti našiel svoj domov aj druh európskeho významu, žltá astrovitá rastlina popolavec dlholistý moravský (Tephroseris longifolia subsp. moravica).
Flóra Vtáčnika má vzhľadom na nadmorskú výšku horský charakter. Na mnohých miestach tvorí prímes bukových lesov jedľa biela (Abies alba). Dendrologickými raritami je prirodzený výskyt tisu obyčajného (Taxus baccata) a borovice lesnej (Pinus sylvestris). Zaujímavosťou Vtáčnika je vrcholová bučina tzv. listnatá kosodrevina. Ide o porasty zakrpatených bukov, ktoré odolávajú extrémne drsným klimatických podmienkam, vetru a mrazu.
Ďalšou zaujímavosťou Vtáčnika je ostrovčekovitý výskyt pôvodnej smrečiny s prímesou jarabiny vtáčej (Sorbus aucuparia) s podrastom čučoriedky v NPR Vtáčnik. Horské druhy rastlín sa koncentrujú najmä vo vrcholových častiach hrebeňa, na prameniskách, v bukových a smrekových porastoch a v štrbinách andezitových skál.
Sú to napríklad mačucha cesnačkovitá (Adenostyles alliariae), iskerník platanolistý (Ranunculus platanifolius), mliečivec alpínsky (Cicerbita alpina), kamzičník rakúsky (Doronicum austriacum), vudsia skalná (Woodsia ilvensis), chvostník jedľovitý (Huperzia selago), brusnica obyčajná (Vaccinium vitis-idaea), soldanelka uhorská (Soldanella hungarica), prilbica tuhá (Aconitum firmum), udáva sa aj výskyt vzácnej škardy sibírskej (Crepis sibirica). Z európsky významných druhov sa nachádza v pohorí Vtáčnik mach, dvojhrot zelený (Dicranum viride). Je to typický epifyt na borke listnatých stromov na miestach s vyššou vzdušnou vlhkosťou.