Най-често срещани са представителите на семействата Бобови (Fabaceae) – 29 вида, Житни (Poaceae) – 24 вида, Розоцветни (Rosaceae) – 22 вида, Лободови (Chenopodiaceae) – 16 вида, Кръстоцветни (Brassicaceae) – 15 вида, Сенникоцветни (Apiaceae) – 11 вида, Грапаволистни (Boraginaceae) и Острицови (Cyperaceae) – по 10 вида. Представители на още 18 семейства са описани, но те са само с единични видове.
Тревистите растения, срещащи се в лагуната Атанасовско езеро съставляват 90% от всички описани там висши растения, а за дървесните видове остават едва 10%. Едногодишните растения са 37%, което прави 116 вида, най-редки са двугодишните със само 17 вида или 5% от общия брой.
Според привързаността си към водата, флората на лагуната се разделя на 8 типа:
- хигрофити – 35 вида. Това са растения, развиващи се при постоянен или периодичен излишък на вода, като например тръстиката, теснолистния и широколистния папур (Typha latifolia), шавара (Schoenoplectus lacustris) и др. С тръстика са обрасли дигите, заграждащи отвън и отвътре обиколния канал. Почти изцяло са обрасли отдавна незаливаните най-външни басейни от северната и югозападната страни на езерото. Там тръстиката е заела слабо засолените влажни почви. В непосредствена близост до дигите на следващите, действащи басейни, където водата е с относително по-висока соленост, няма тръстикови пояси. В тръстиковите масиви участват и широколистният папур, а на относително по-сухите места и теснолистният папур. Много рядко сред тръстиките и по бреговете на сладководното езеро се срещат остатъци от хигрофилната дървесна растителност - единични бяла, теснолистна и крехка върба (Salix alba, Salix eleagnus, Salix fragilis) и по-рядко трепетлика (Populus tremula);
- хигромезофити – 44 вида, мезофитни видове, приспособени да растат на преовлажнени почви. В ниските и значително по-влажни места се срещат съобщества със значително участие на равенска кандра (Erianthus ravenae), морска и черна дзука (Juncus maritimus, Juncus atratus).
- мезофити – 57 вида, растящи на средно влажни почви. Лагуната е разположена сред мезофитните тревни формации представени от ливадна власатка (Festuceta pratensis) и др. Те оказват косвено въздействие върху растителността на резервата.
- ксерофити – 53 вида. Това са растения, развиващи се в сухи местообитания, които може да преживяват продължително атмосферно и почвено засушаване като запазват физиологичната си активност. В Атанасовското езеро те заемат средните и високи зони на старите диги, части от периферните площи на резервата и някои басейни, засушени за продължително време. Представени са от съобществата Agropyreta intermediae, Festuceta pseudovinae, класник (Leymeta racemosae), Elimeta elongatae, луковична ливадина (Poaeta bulbosae), Lolieta perennae и др. с включени троскот (Cynodon dactilon), белизма (Dichantium ischaemum) и садина (Chrysopogon gryllus).
- халофити – 17 вида растения, обитаващи влажни, засолени почви. Представени са от съобществата на отделни халофити с преобладаване на солянка, морска суеда, гмелинова гърлица (Limonium gmelinii), содово вълмо (Salsola soda) и др. Те заемат местата при най-засолени почви при сезонните, инцидентни и по-продължителни засушавания на басейните с по-висока концентрация на соли във водата, както и в подножието на дигите при значителни понижения на релефа. На места солянката образува чисти обраствания, като особено при ремонтираните диги се явява в качеството си на пионерен елемент. Примесени с други тревни видове, предимно по дигите се срещат и други типични халофити морска суеда, лъжлива овча власатка (Festuca pseudovin), огниче (Chenopodium botris), полски пелин (Artemisia campestris), гмелинова гърлица, парафолис (Parapholis incurva), и др.
- хидрофити – 15 вида, чиито възобновителни пъпки са разположени във водата, като летораслите са покрити с вода. На някои места в канала и в сладководното езеро се срещат значителни обраствания от висши водни растения – водна леща (Lemna minor), плаващ роголистник (Ceratophyllum demersum), морска русалка (Najas marina), къдрав ръждавец (Potamogeton crispus), спиродела (Spirodella polyrrhiza) и други
- псамофити – 18 вида, растения, живеещи на песъчливи терени (дюни и др.). Пясъчният субстрат, който е задължителен на места в езерото, е предпоставка за развитието им, някои от които образуват и неголеми чисти съобщества. Така, макар и относително по-рядко тук се срещат и съобществата на класника, песъчара (Amophylleta arenariae), пясъчната метличина (Centaureeta arenariae) и др.
- ксеропсамофити – 7 вида псалмофити, обитаващи сухи места.
Според своя произход, растителните видове, установени в лагуната, могат да се разделят на следните типове:
- евроазиатски геоелементи, които преобладават във флората на езерото – 55 вида;
- евромедитерански – 39 вида;
- субмедитерански – 29 вида;
- медитерански – 26 вида;
- космополити – 26 вида;
- понтийски – 32 вида.
- бореални
- евросибирски
В лагуната Атанасовско езеро са установени 1 български и 7 балкански ендемита. Това са:
- Коленчато диво жито Aegilops geniculata – български ендемит;
- Островърха урока Bupleurum apiculatum
- Петериев росопас Funaria petteri
- Черно шекерче Nonea atra
- Триръбеста хептаптера Heptaptera triquetra
- Черноморско плюскавиче Silene euxina – уязвим, с ниска численост.
- Жлезист лопен Verbascum purpureum – той е най-рядък, с критично ниска численост, представен само от 3-5 екземпляра
- Мизийски карамфил Dianthus moesiacus – уязвим, с ниска численост.
40 вида от установените в Атанасовско езеро са включени в Червената книга на България. В категорията изчезнал е един вид – тученицово халимионе (Halimione portucaloides); застрашени от изчезване са 6 вида – морски червен кантарион (Centaurium maritimum), режещ кладиум (Claudium mariscus), гъстоцветен пирей (Elymus picnanthus), франкения (Frankenia pulverulenta), татарска змийска трева (Goniolimon tataricum), синя тойна (Trachonitum venetum); редки са 33 вида.
В хода на проекта бе изготвен доклад за инвазивните видове в езерото, на база на проучванията направени от експертите флора и хабитати.