Professori Elias Tillandz perusti Helsingin yliopiston kasvitieteellisen puutarhan alunperin Turkuun vuonna 1678. Vuoden 1827 Turun palon jälkeen puutarha siirrettiin Helsingin Kaisaniemeen vuonna 1829. Tärkeimmät kasvit siirrettiin hevosvankkureilla minkä lisäksi saatiin lukuisia kasvilahjoituksia sekä Pietarin että Tarton yliopistoista.
Kaisaniemen kasvitieteellisen puutarhan suuri kasvihuone valmistui 1832, ja seuraavana vuonna puutarha avattiin yleisölle.
Kasvihuoneiden vanhin osa on vuonna 1889 valmistunut arkkitehti Gustaf Nyströmin piirtämä Palmusali. Hän piirsi myös Palmusalin molemmat siivet, jotka valmistuivat vuonna 1896.
II Maailmansodan aikana helmikuussa 1944 puutarhan alueelle putosi kahdeksan pommia, jotka särkivät kasvihuoneiden lasit. Sisään päässyt pakkanen tuhosi kasvihuonekokoelman täysin, ja vain yksi sypressi (todennäköisesti Cupressus sempervirens) säilyi hengissä. Lisäksi parananjättilumme (Victoria cruziana) pystyttiin pelastamaan, sillä sen siemenet säilyivät hengissä jäätyneen lummealtaan pohjalla. Tosin, vuonna 2023 puutarhalle palautettiin kääpiöpalmu (Chamaerops humilis), joka oli pelastettu yksityiskotiin pommitusten jälkeisenä aamuna.
Viime vuosisadan lopulla kasvihuoneet olivat hyvin huonossa kunnossa ja ne peruskorjattiin vuosina 1996–1998. Peruskorjatut kasvihuoneet avattiin jälleen yleisölle 21.9.1998. Tänään kasvihuoneissa kasvaa yli 1200 taksonia.
1678 Professori Elias Tillandz perusti Helsingin yliopiston kasvitieteellisen puutarhan alunperin Turkuun.
1829 Turun palon jälkeen puutarha siirrettiin Helsingin Kaisaniemeen.
1832 Iso kasvihuone valmistui.
1833 Puutarha avattiin yleisölle.
1835 Pieni kasvihuone valmistui.
1862 Kasvihuoneiden päätyjen etelä-pohjoissuuntaiset laajennusosat valmistuivat.
1884 Ulkopuutarhan ruohovartiskasvit ryhmiteltiin "nykyaikaisesti" ja perustettiin Suomen ensimmäinen kivikkopuutarha.
1886–1887 Kasvihuonekasvit luetteloitiin ensi kerran.
1889 Arkkitehti Gustaf Nyströmin suunnittelema Palmuhuone valmistui ison kasvihuoneen paikalle.
1892 Pienen kasvihuoneen vesikasviallas valmistui ja jättilumpeen (Victoria amazonica) kasvatus aloitettiin.
1898 Savanni- ja sademetsähuoneet palmusalin kylkeen valmistuivat.
1903 Arkkitehti Gustaf Nyströmin suunnittelema kasvitieteen laitoksen ja museon rakennus valmistui.
1933 Puutarhan 100-vuotisjuhla. Kasvihuoneissa oli 1 500 ja ulkopuutarhassa 5 000 erilaista kasvia.
1944 Helmikuussa jatkosodan pommituksissa puutarhaan osui kahdeksan pommia ja kasvihuoneet rikkoutuivat. Vain yksi sypressi säilyi elossa. Jättilumpeen siemeniä jäi jäätyneen altaan pohjalle, ja niistä voitiin myöhemmin kasvattaa uusia lumpeita. Kaikki muut kasvihuoneiden kasvit menetettiin. Tosin, vuonna 2023 puutarhalle palautettiin kääpiöpalmu (Chamaerops humilis), joka oli pelastettu yksityiskotiin pommitusten jälkeisenä aamuna.
1948 Korjatut kasvihuoneet avattiin yleisölle. Kasvilahjoituksia oli saatu kotimaasta ja etenkin pohjoismaisista kasvitieteellisistä puutarhoista. Kasveja oli n. 1 600.
1953 Pyöreä lummehuone valmistui pienen kasvihuonerakennuksen laajennuksena.
1974 Kasvien järjestelmällinen rekisteröinti aloitettiin.
1990 Puutarhan Kaisaniemenrannan puoleiseen osaan pystytettiin kolme Helsingin Punavuoresta purettua empire-tyylistä puutaloa. Yhdessä niistä toimii kahvila.
1996 Huonokuntoiset, romahtamisvaarassa olleet kasvihuoneet suljettiin ja niiden peruskorjaus aloitettiin.
1998 Tasavallan Presidentti Martti Ahtisaari avasi uusitut kasvihuoneet 21.9.
2004 Puutarha muutettiin matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan laitoksesta Luonnontieteellisen keskusmuseon toimintayksiköksi, jolloin se sai kansalliskokoelman aseman.
2009 Puutarha yhdistyi Kasvimuseon kanssa yhdeksi yksiköksi, joka sai nimen "Kasvitieteen yksikkö".
Kaisaniemen puistoalueen uudistamiseksi valmistui vuonna 2007 yleissuunnitelma. Tämän perusteella koko Kaisaniemen puisto uusittiin niin Helsingin kaupungin kuin yliopiston kasvitieteellisen puutarhankin puolelta. Keväällä 2013 valmistui Kaisaniemenrannan puoleinen yli 300 metriä pitkä aita. Keskeisin huoltopiha purettiin puutarhan keskeltä ja uusi rakennettiin lähemmäksi autoliikennettä ja huoltoporttia. Näin kasvihuoneille johtava sisäänkäyntiä voitiin selkeyttää huomattavasti.
Palmusalin edusta etelän suuntaan, eli kaupungin keskustan puoli, uudistettiin täysin. Systemaattisen puutarhan, eli palmusalin edustan puutarhan rakennustyöt alkoivat keväällä 2014, kun tieteellisesti merkittävät kasvit siirrettiin töiden alta sivummalle talteen. Altaiden korjausten ja uusimisen lisäksi tehtiin salaojitus, valaistus ja kastelujärjestelmät ja lopuksi uusittiin käytävät.
2011-2013 Kaisaniemi-projekti käynnistyi Kaisaniemen ulkoalueiden uudistamiseksi ja uuden asemakaavan toteuttamiseksi. Ensin uudistettiin Unioninkadun puoleinen aita ja myöhemmin valmistuivat mm. rantakadun puoleinen aita portteineen sekä uusi huoltopiha ja -katos.
2016 Sammal- ja jäkäläpuutarhat valmistuivat. Aistien puutarha ja kivikkopuutarha valmistuivat uusittuina.
2017 Avattiin uusittu systemaattinen osasto eli evoluutiopuutarha.
Puutarhan uusi pääportti Palmusalia vastapäätä evoluutiopuutarhan alkupisteessä jäi vielä odottamaan toteutumistaan, koska Helsingin kaupungin puolella tapahtuva asemakaavan toteuttava puiston remontti on alkamassa vasta 2024.
Ulkopuutarha-alueen ruutukaavamainen polkuverkosto on keskeisiltä osiltaan suojeltu, joten yleisilme ei ratkaisevasti muuttunut viimeisimpien uudistusten myötä. Istutusalueiden sijoittelu sen sijaan muuttui täysin: kasvit esitellään evoluution kehityskulun mukaisesti.
Kasvikunnan evoluutio kuvataan ja kasvit ryhmitellään sukupuun muodossa. Puun tyvellä eli portin lähellä ovat alkukantaisimmat kasvit kuten sanikkaiset ja kauempana kohti Palmusalia sijaitsevat kehittyneemmät koppisiemeniset kasvit. Kehityksen suuntaa ja aikajanaa kuvastavat ”puun oksat”, jotka toimivat kulkukäytävinä.
Alue avattiin uudessa, kasvien kehityshistoriaa mukailevassa muodossaan vuoden 2017 aikana. Myös Kivikkopuutarha ja Aistipuutarha uusittiin. Museon pohjoispuolelle rakennettiin sammal- ja jäkäläpuutarha myöhemmin samana vuonna.
Palmusalin keskeltä muodostuvan keskiakselin päähän tulee myöhemmin uusi puutarhan pääsisäänkäynti. Yhteyden avaus tapahtuu kuitenkin vasta sitten, kun Helsingin kaupunki on tehnyt oman puolensa Kaisaniemen puiston kokonaisuudistuksesta.
Sisäänkäynnin kohdalla tenniskentät siirretään toisaalle ja näkymää avataan siten, että ohikulkijoille avautuu kasvihuoneiden upea fasaadi.