La pelouse dolomitique de Merlemont est dominée par le brome érigé (Bromus erectus). Par endroits apparait également des plages plus ou moins étendues de brachypode penné (Brachypodium pinnatum). Son intérêt botanique est très grand et on y rencontre de nombreuses orchidées : orchis pyramidal (Anacamptis pyramidalis), orchis brulé (Orchis ustulata), epipactis brun rouge (Epipactis atrorubens), ophrys abeille (Ophrys apifera), etc. ainsi diverses autres plantes typiques comme la centaurée scabieuse (Centaurea scabiosa), la gentiane d'Allemagne (Gentianella germanica), l'hippocrépide fer à cheval (Hippocrepis comosa), etc. Ce biotope constitue également le refuge pour une grande quantité d'insectes rares, en particulier parmi les papillons de jour, les hyménoptères et les Orthoptères.
Dans la carrière, les ligneux qui colonisent l'excavation sont surtout représentés par des espèces pionnières: Salix caprea, Salix sp. (fond), Betula pendula, Populus tremula, Cytisus scoparius, Clematis vitalba,...; Rubus sp.
Dans le fond de la dépression, la végétation herbacée est notamment composée de Helleborus foetidus (replat pierreux), Ranunculus repens, Barbarea vulgaris, Potentilla anserina, Lotus corniculatus, Vicia cracca, Trifolium repens, T. campestre, Euphorbia cyparissias, Linum catharticum, Centaurium erythraea, Prunella vulgaris, Origanum vulgare, Hieracium maculatum (station importante), Hieracium pilosella, Centaurea (Jacea) sp., Crepis biennis, Leucanthemum vulgare, Senecio jacobaea, S. erucifolius, Picris hieracioides, Leontodon saxatilis, L. autumnalis, Carex flacca, diverses poacées dont Arrhenatherum elatius, Calamagrostis epigejos, Alopecurus myosuroides, Poa compressa, Holcus lanatus, Dactylis glomerata et Vulpia myuros, Ophrys apifera (5 pieds groupés), Dactylorhiza fuchsii (5 pieds). Au niveau des zones humides, on a relevé: Typha latifolia, Juncus inflexus, J. effusus, J. articulatus, J. conglomeratus, Epilobium hirsutum, Potentilla anserina, Carex flacca,...
Sur les falaises et talus poussent Rumex scutatus, Sedum acre, Anthyllis vulneraria, Lotus corniculatus (abondant), Echium vulgare, Origanum vulgare, Carlina vulgaris, Hieracium murorum, H. lachenalii, H. maculatum, Senecio erucifolius, Mycelis muralis, Artemisia vulgaris, Arrhenatherum elatius,...
Sur les bordures supérieures (bordures nord et sud-est non prospectées) ont été recensées: Minuartia hybrida (petit replat occidental), Silene vulgaris, Arenaria serpyllifolia, Rumex scutatus, Hypericum hirsutum, Viola hirta, Helianthemum nummularium, Lepidium campestre, Erophila verna, Sedum acre, Sanguisorba minor, Potentilla reptans, Lotus corniculatus, Anthyllis vulneraria (abondant par endroits), Astragalus glycyphyllos, Ononis repens, Trifolium dubium, T. campestre, Medicago lupulina, Epilobium angustifolium, Euphorbia cyparissias, Linum catharticum, Pastinaca sativa, Convolvulus arvensis, Echium vulgare, Origanum vulgare, Acinos arvensis, Sambucus ebulus, Erigeron acer, Carlina vulgaris, Hieracium pilosella, H. lachenalii, H. maculatum, Centaurea scabiosa, Crepis capillaris, C. biennis, Leucanthemum vulgare, Achillea millefolium, Senecio jacobaea, Inula conyzae, Carduus nutans, Tanacetum vulgare, Tussilaga farfara, Eupatorium cannabinum, Tragopogon pratensis, Carex flacca, Brachypodium pinnatum, Catapodium rigidum (assez abondant sur un replat vers l'ouest), Epipactis atrorubens (± 10 pieds vers l'ouest), etc.