Pomimo warunków, jakie panują na pustyni, Atakama wykształciła bogatą różnorodność flory.

Występuje tam ponad 500 gatunków roślin, które charakteryzują się niezwykłą zdolnością przystosowawczą do ekstremalnego środowiska. Są to najczęściej zioła i kwiaty, takie jak: tymianek, Yareta Llareta) i słona trawa (Distichlis spicata). Tam gdzie wilgotność jest wystarczająca rosną drzewa: chañar (Geoffroea decorticans), pimiento i algarrobo liściaste (Prosopis chilensis).

Rosną tam także kaktusy, sukulenty i inne rośliny suchego klimatu. W latach z wystarczającymi opadami (jak w 2015 roku), kwitnienie pustyni można oglądać od września do listopada.