Уникальность некоторых редких видов состоит в том, что они находятся близ естественных границ своих ареалов.
Особая группа дикорастущих редких и исчезающих видов растений национального парка включена в региональный список редких и исчезающих видов для центра европейской части СССР (1981). Таких видов 19: береза карликовая, осока шариконосная, венерин башмачок крапчатый, водяника черная, ирис сибирский, клюква мелкоплодная, поленика, камнеломка болотная и др.
В связи с особым географическим положением парка на стыке южной тайги и смешанных лесов выявлена группа редких растений, тяготеющая к экологическому ареалу широколиственных лесов: овсяница высокая, костер Бенекена, ветреница лесная, бутень Прескотта, мытник Кауфмана, осока волосистая, осока лесная, купена многоцветковая.
Особый интерес представляет группа редких и очень редких видов, произрастающих на болотах. Среди них - береза карликовая, куманика, тайник яйцевидный, осока плевельная, осока заливная и др. Многие из этих видов являются исключительно древними третичными реликтами.
Значительный интерес на территории парка представляет группа редких растений-галофитов: триостренник приморский, лисохвост тростниковый, клубнекамыш морской, остерикум болотный, камыш Табернемонтана.
Растения Переславского края, занесенные в Красную книгу Российской Федерации: борец Флевоа, венерин башмачок настоящий, липарис Лезеля, надбородник безлистный, офрис насекомоностная, пальцекорник Траунштейнера, полушник озерный, полушник щетинистый, ятрышник Шлемоносный.
Грибы: гериций коралловидный, гиропор синеющий, осиновик белый, гиропор каштановый.
Из 60 видов млекопитающих в Красную Книгу России занесен – 1 (выхухоль), редких и исчезающих – 9 (малая вечерница, обыкновенный хомяк, европейская норка, выдра, бурозубка-крошка и др.). Птиц – 5 (скопа, сапсан белая лазоревка и др.), редких и исчезающих - 15 видов (малая выпь, малая чайка, филин, цапля серая, зеленый дятел и др.). Пресмыкающихся - 5 видов (медянка, веретеница ломкая) и земноводных - 7 видов (зеленая жаба, обыкновенная чесночница и др.). Насекомых – из 109 видов в Красной книге России – Мнемозина (Черный Аполлон); особо охраняемые: Жук носорог, Махаон, Адмирал, Переливница тополевая и др. Из ихтиофауны к редким и исчезающим видам относится ряпушка.
Животные Переславского края, занесенные в Красную книгу Российской Федерации: выхухоль, европейская ручьевая минога, ленточница голубая, медведица госпожа, мнемозина, обыкновенный подкаменщик, переславская ряпушка, шмель моховой. Птицы: беркут, большой кроншнеп, большой подорлик, европейская белая лазоревка, змееяд, малый подорлик, обыкновенный серый сорокопут, орлан, пискулька, сапсан, среднерусская белая куропатка, филин, чернозобая гагара, скопа, рыбы, ряпушка переславская.
Краснокнижные растения, растущие в дендрологическом саду им. С.Ф. Харитонова: