El gradiente altitudinal crea diferentes condiciones bioclimáticas, prosperando diversas variedades de plantas que hacen que su paisaje adquiera muy distintas tonalidades, destacando los verdes de primavera y los ocres del final de otoño.​

Desde el punto de vista biogeográfico la zona pertenece a la Provincia carpetano-ibérico-leonesa encuadrada en la Superprovincia mediterráneo iberoatlántica (Región mediterránea), concretamente dentro del Distrito Serrotense del Subsector Paramero-Serrotense (Sector Bejarano-Gredense). Geográficamente pertenece al Sistema Central.

  • Las zonas más altas de la Sierra de Villafranca están dominadas por la vegetación propia de los prados de cumbres, creando lo que se conoce como cervunales, en referencia al predominante cervuno (Nardus stricta) como formador de estos céspedes sobre sustrato silíceo con elevada humedad edáfica. Los cervunales presentan un notable interés económico al ser la base de la alimentación estival de la cabaña ganadera, si bien estos pastos tienen un valor nutritivo menor debido a la descompensación entre gramíneas (Nardus stricta, Festuca iberica, Festuca rothmaleri, Anthoxanthum odaratum, Danthonia decumbens, Agrostis truncatula y otras), que aportan carbono en la alimentación, y la escasa proporción de leguminosas (Trifolium repens, Lotus glareosus y Genista carpetana fundamentalmente), que aportan el nitrógeno y por tanto la formación de proteína posterior.
  • Por debajo de la cota de los cervunales aparecen los piornales, siendo predominante el piorno serrano (Cytisus oromediterraneus), leguminosa arbustiva que no llega a superar el metro de altura, acompañando a esta especie aparece el enebro rastrero (Juniperus communis) en su forma postrada de montaña, muy conocido por el uso de sus gálbulos (nebrinas) para la obtención de ginebra —al redestilar el whisky con dichas nebrinas. Es frecuente también la existencia de helechares. Cerca del límite inferior de los piornales aparecen otro tipo de piornos que cubren superficies en el piso de roble como consecuencia de la tala. Entre ellos destacan la hiniesta (Genista cinerea), la retama negra (Cytisus scoparius) y el escobón (Genista florida), que frecuentemente supera los dos metros de altura, muy usado para la confección de escobas, techumbres y para encender la lumbre de los hogares. Aquellas partes libres de arbustos están ocupadas por prados de diente donde se alimenta el ganado.
  • El piso inmediatamente inferior está ocupado por el roble melojo o rebollo (Quercus pyrenaica) que domina amplias extensiones en la Sierra de Villafranca. Asociado a él aparece una cohorte de plantas como la arveja silvestre (Vicia sepium), la peonía o matagallinas (Paeonia officinalis); árboles como el fresno (Fraxinus angustifolia), el olmo de montaña (Ulmus glabra) y el chopo temblón (Populus tremula). En las zonas degradadas del bosque de rebollos aparecen comunidades arbustivas como los piornales anteriormente citados y los jarales en los que abunda la estepa o jara estepa (Cistus laurifolius) y la botonera o tomillo perruno (Santolina rosmarinifolia). Como consecuencia de la máxima degradación aparecen prados de diente y de siega. En las zonas más bajas del piso de roble aparecen arbolitos y arbustos de espina como el endrino (Prunus spinosa), la zarzamora (Rubus fruticosus) y el rosal silvestre (Rosa canina).
  • Al noroeste del término municipal, al norte del río Corneja, que es una zona suavemente montañosa, con las menores cotas del término municipal, y cuyas laderas están orientadas al Sur están ocupadas por encinas (Quercus ilex) y por las plantas que la acompañan: la jara pringosa (Cistus ladanifer), la madreselva (Lonicera etrusca), el cantueso (Lavandula stoechas), la mejorana silvestre (Thymus mastichina) y el tomillo aceitunero (Thymus zygis). Se trata de los parajes conocidos como El Encinar y El Campillo.
  • En torno al río, a los arroyos y en aquellas zonas en las que el agua ocupa un nivel freático suficientemente alto y que lo hace disponible durante un periodo largo de año, aparecen las plantas típicas del bosque de galería o soto, como son: el aliso (Alnus glutinosa), el chopo (Populus alba), el avellano (Corylus avellana), el fresno común (Fraxinus angustifolia), el sauce o bardaguera (Salix atrocinerea), la bardaguera blanca (Salix salviifolia), el nogal (Juglans regia), el cárice de Portugal (Carex paniculata) y el cárice de espiguillas separadas (Carex remota).
  • Las zonas donde se ha realizado repoblación han sido mayoritariamente sembradas con pino silvestre (Pinus sylvestris), negral (Pinus nigra) y resinero (Pinus pinaster).
  • Mención especial merecen los dos endemismos que comparte la Sierra de Villafranca con la próxima La Serrota (parte de la cual pertenece al término municipal de Villafranca), se trata del Acanthorrhinum rivas-martinezii y el Senecio coincyi, catalogado este último como especie en peligro de extinción por el Decreto 63/2007, de 14 de junio, por el que se crean el Catálogo de Flora Protegida de Castilla y León y la figura de protección denominada Microrreserva de Flora;16​e incluido también como especie vulnerable en la Lista Roja de la Flora Vascular Española Amenazada, elaborada por el Ministerio de Medio Ambiente.​