თბილისის ბოტანიკური ბაღი ერთ-ერთ უძველესია მსოფლიოში. მისი ისტორია XVII საუკუნის I ნახევრიდან (1636 წ.) იწყება. ბაღის წინამორბედი იყო სოლოლაკის სამხრეთით (ლეღვთახევში) გაშენებული დეკორატიული და სამკურნალო მცენარეების „სამეფო ბაღი“. მას „ციხის ბაღს“, იგივე „სეიდაბადის ბაღს“, ან „ცოდნის წყაროსაც“ უწოდებდნენ. ადრე ეს მცირე ფართობი წარმოადგენდა დასასვენებელ პარკს, შემდეგ კი გაშენდა 3 პატარა ბაღი – სამკურნალო მცენარეებით, ბოსტნეულითა და ხეხილით.
რუსეთის მიერ საქართველოს მიერთების შემდეგ, ბაღი სახელმწიფო საკუთრება გახდა, შემდეგ კი სააფთიაქო ბაღებად გამოცხადდა. 1845 წლის 1 მაისიდან კავკასიის მეფისნაცვალ მიხეილ ვორონცოვის განკარგულებით, ბაღები გაერთიანდა და მას ოფიციალურად ეწოდა თბილისის ბოტანიკური ბაღი. ბაღის მთავარი შესასვლელი ბოტანიკური ქუჩის ბოლოსაა, ნარიყალას ძირას. 1909-1914 წლებში სოლოლაკის ქედში გაიჭრა გვირაბი და გაკეთდა მეორე შესასვლელი ლ. ასათიანის ქუჩიდან.
ბაღს წავკისის წყალი ორ ნაწილად ყოფს. მდინარეზე რამდენიმე ხიდია გადებული. მათ შორის ყველაზე მეტად ჩანჩქერზე გადებული თაღებიანი ხიდი გამოირჩევა, რომელიც 1914 წელს აიგო.
მეცნიერებმა ბოტანიკური ბაღი ნამდვილ სამეცნიერო ასპარეზად გადააქციეს. XX საუკუნის 30-იან წლებში თბილისის ბოტანიკურმა ბაღმა ფართო მასშტაბით გაშალა კვლევითი სამუშაოები ბოტანიკის, მცენარეთა ფიზიოლოგიის, მცენარეთა სელექციის, მცენარეთა დაცვის სახით. თბილისის ბოტანიკური ბაღი 128 ჰექტარ ტერიტორიაზეა გადაჭიმული.
