Cagar Alam Pulau Sempu merupakan habitat bagi keanekaragaman tumbuhan yang masih tersisa di Jawa. Bahkan beberapa jenis diantaranya merupakan jenis tumbuhan dengan status konservasi yang tinggi. Antara lain tercatat sebanyak 12 jenis mangrove dengan status rawan (Vulnerable) dan kritis (Critical Endangered) dari 30 jenis mangrove yang dijumpai tumbuh di ekosistem mangrove Cagar Alam Pulau Sempu (Teluk Semut, Teluk Air Tawar dan Teluk Raas). Jenis-jenis mangrove tersebut adalah:
Aegiceras corniculatum (L.) Blanco Myrsinaceae EN
Avicennia officinalis L. Avicenniaceae EN
Bruguiera parviflora Wight & Arn. ex Griffi th Rhizophoraceae CR
B. sexangula (Lour.) Poir. Rhizophoraceae VU
Cerbera manghas L. Apocynaceae EN
Ceriops decandra (Griff.) Doing Hou Rhizophoraceae EN
C. tagal (Perr.) C.B. Robinson Rhizophoraceae EN
Derris trifoliata Lour. Fabaceae EN
Heritiera littoralis Ait. Sterculiaceae EN
Rhizophora apiculata Blume Rhizophoraceae EN
R. mucronata Lamk. Rhizophoraceae VU
Xylocarpus granatum K.D. Koenig Meliaceae EN.
Dari flora yang dijumpai di Cagar Alam Pulau Sempu diketahui sebagian besar (54,54%) flora yang tumbuh di seluruh ekosistem Pulau Sempu dikategorikan dalam kualifikasi unik, sedangkan 32,73% adalah sangat unik, dan hanya 12,73% termasuk kategori cukup unik. Kondisi ini dapat mengindikasikan bahwa keberadaan flora di Cagar Alam Pulau Sempu sangat rentan terhadap kepunahan. Hal ini terutama dikarenakan sifat endemisitas dan status kelangkaannya.
Myristica teijsmannii Miq. atau dikenal dengan nama durenan, palan, kosar atau kayu resep adalah salah satu spesies tumbuhan di Cagar Alam Pulau Sempu yang memiliki status konservasi dengan kategori endangered (EN) atau genting menurut IUCN. Spesies ini memiliki penyebaran alami yang terbatas di Jawa Timur, yaitu di kawasan Pacitan - Gunung Kawi, Gunung Wilis, Gunung Anjasmoro dan termasuk di Pulau Sempu.
Terdapat potensi tumbuhan yang telah teridentifikasi sebanyak 294 spesies, 89 spesies tumbuhan dengan status belum teridentifikasi, 20 spesies anggrek (masuk Apendiks II CITES), 20 spesies paku-pakuan, 30 jenis mangrove (12 jenis diantaranya dilindungi berdasarkan IUCN dengan kondisi rawan sampai kritis). Satu jenis pohon yaitu Myristica teijsmannii memiliki status konservasi genting menurut kategori IUCN. Selain itu, terdapat catatan baru untuk mangrove, yaitu dengan ditemukannya jenis Xylocarpus rumphii.