В результаті багаторічної діяльності по інтродукції рослин в НБС створені унікальні флористичні комплекси "Ліси рівнинної частини України", "Українські Карпати", "Степи України", "Крим", "Кавказ", "Середня Азія", "Алтай та Західний Сибір", "Далекий Схід". На цих ділянках зроблена спроба не лише відтворити рослинність певної географічної зони, але по можливості й рельєф та окремі типові ландшафти.

Справжньою окрасою ботанічного саду є його дендрарій. Тут зібрано унікальну колекцію дерев, кущів та ліан – близько 1,5 тис. видів, різновидів та форм, які представлені за ландшафтно-систематичним принципом. Гаї берез, дубів, горіхів, лип, кленів, бобових рослин, розоцвітих та хвойних вражають розмаїттям форм крони, розмірами та забарвленням листків, кольорами суцвіть, своєю вишуканістю та чарівністю. Колекція бузку, магнолій вже давно стали візитною карткою ботанічного саду.

НБС займається питаннями інтродукції, сортовивчення та селекції основних груп квітниково-декоративних рослин. Створено колекційний фонд, що нараховує більше 5400 їх видів, форм та сортів. Багаторічні наукові дослідження з використанням генетичних методів селекції квітникових культур дали змогу створити нові сорти півоній, хризантем, жоржин, айстр, флоксів, півників, гладіолусів, клематисів, газонних трав та ін. Нові сорти за комплексом декоративних ознак відповідають міжнародним стандартам, про що свідчать нагороди отримані на численних виставках та конкурсах.

В НБС проводиться вивчення плодових рослин, збереження їх різноманіття, збагачення колекцій та селекція південних, нових і місцевих малопоширених культур; дослідження взаємодії і післядії плодових культур з метою визначення місця культури в садозміні і сівозміні розсадників. Створено більше 100 сортів персика, айви, дерену, хеномелесу, абрикоса, аличі, актинідії, лимонника китайського, винограду. Нові сорти вирізняються високою зимостійкістю, продуктивністю рослин та смаковими якостями плодів, вживання яких сприяє збереженню здоров'я та підвищенню працездатності людини.

В Національному ботанічному саду зосереджено увагу на збереженні, збагаченні та використанні генофонду корисних рослин поліфункціонального призначення. Проводяться всебічні дослідження з інтродукції, акліматизації, біотехнології, інтенсифікації продукційного процесу, селекції технічних, енергетичних, кормових, овочевих, пряноароматичних груп рослин, опрацювання основ технології їх культивування. Започатковано нові напрями досліджень – фіторемедіація, фітотехнологія, екологія альтернативних культур, біоенергетика. Розробляються раціональні методи експлуатації природних ресурсів лікарських рослин, переробки сировини, значна увага приділяється пошуку і вивченню рослин з антивірусними, імуностимулюючими, радіопротекторними, антиоксидантними властивостями.

В НБС покладено початок фундаментальному вивченню хімічної взаємодії рослин (алелопатії), розроблено принципово новий підхід до вивчення хімічної взаємодії рослин як кругообігу фізіологічно активних речовин у біогеоценозах. Створено ґрунтозамінники з керованими фізико-хімічними характеристиками, придатні для вирощування тропічних і субтропічних рослин у наземних оранжереях та в умовах космічного польоту. Співробітники саду брали участь у виконанні програми НАСА під назвою "ШАТТЛ" та в проведенні спіль¬ного українсько-американського експерименту з метою вивчення впли¬ву космічних умов на ріст і розвиток рослин.

В Національному ботанічному саду вивчаються питання фітогеохімічного моніторингу забруднення атмосферного повітря важкими металами та їх випадання в урбанізованих та природних екосистемах; моніторингу тропосферного (приземного) озону та біоіндикаційній оцінці його фіто токсичності; хемосистематичних дослідженнях рослин та вивченні їх популяційно-генетичної структури за допомогою молекулярних маркерів. В рамках міжнародної програми по рослинності (ICP Vegetation) з 1995 року лабораторія виконує моніторинг по картуванню випадання важких металів з атмосферного повітря в Європі. За підтримки Служби лісів Департаменту сільського господарства США (USDA Forist Service) організована єдина в Україні моніторингова станція (на території НБС) з вивчення тропосферного (приземного) озону.

Національний ботанічний сад імені М.М. Гришка є провідною науково-дослідною установою, що займається проектуванням і створенням нових ботанічних садів та парків, розробкою наукових основ озеленення та фітодизайну підприємств і організацій, а також багатьма іншими напрямками теоретичної та прикладної ботаніки. Одним з головних завдань ботанічного саду є проведення досліджень в галузі охорони природи, створення бази для збереження генофонду рослин і всього біологічного різноманіття, а також просвітницька діяльність з питань екології та використання рослин.