Академічний ботанічний сад має досить драматичну передісторію. Ідея його заснування зародилася восени 1918 року, одночасно зі створенням Української академії наук. Серед її установ значився і Ботанічний сад. Його наукові основи були розроблені працями всесвітньо відомого флориста, мандрівника і знавця ботанічних садів світу, одного з перших Президентів Академії наук України – Володимира Іполитовича ЛИПСЬКОГО (1863-1937). Саме він обґрунтував ідею такого ботанічного саду, накреслив його структуру і напрямки діяльності, розробив детальний план будівництва. В той час планували створити Ботанічний сад на основі Голосіївського лісу і директором його був обраний В.І.ЛИПСЬКИЙ. З відомих причин цей план не був реалізований, в 1928 році академік ЛИПСЬКИЙ переїхав до Одеси, де до кінця життя очолював Ботанічний сад Одеського університету. Але його ім'я як вченого, який стояв біля витоків академічного ботанічного саду в Києві назавжди залишатиметься в історії.

Після від’їзду В.І.ЛИПСЬКОГО до Одеси питання про будівництво нового ботанічного саду неодноразово піднімав відомий ботанік академік Олександр Васильович ФОМІН (1869-1935). На початку 30-х років він неодноразово привертав увагу владних структур до необхідності вирішити питання виділення земельної ділянки під створення нового ботанічного саду. Таким чином, ще задовго до Постанови Ради Народних Комісарів (РНК) УСРР № 1220 від 22 вересня 1935 р. про заснування в Києві нового ботанічного саду при Інституті ботаніки АН УРСР, видатними вченими В.І. Липським та О.В. Фоміним був детально продуманий науковий проект будівництва академічного ботанічного саду в Києві та його завдання і покладено багато зусиль для його здійснення.

З перенесенням столиці України з Харкова до Києва уряд восени 1935 року затвердив рішення Київради про будівництво ботанічного саду і відведення ділянки землі для цих цілей площею в 117 га на Звіринці. Невдовзі був затверджений план будівництва, який передбачав створення колекції дерев та чагарників (дендрарію), ботаніко-географічних ділянок рослинності Кавказу, Середньої Азії та Далекого Сходу, системи трав’янистих рослин, ділянок культурної флори та ділянок акліматизації нових корисних рослин з перспективою впровадження в різні галузі господарства. У 1935-1938 роках при розробці Генерального плану будівництва ботанічного саду консультантом-дендрологом був призначений Микола Олександрович ПТІЦИН (1893-1966), який очолював установу у цей період.

Сад проектувався на прибережній території Звіринця, яка за генеральним проектом Києва мала входити до загальної системи паркових ландшафтів, що брала свій початок від Андріївської церкви й простягалась далі схилами Дніпра до Видубицького монастиря. Цей проект був надрукований в журналі київської міської ради «Соціалістичний Київ» у 1937 р. і включав чотири основні сектори: науково-дослідний, експериментально-показовий, науково-популярний і господарський, а також  архітектурні об’єкти, оранжерейний комплекс та систему декоративних водойм та струмків. У цей період ботанічний сад існував як підрозділ (відділ) Інституту ботаніки АН УРСР і наукове керівництво було доручено вченому в галузі лісівництва, професору Київського лісотехнічного інституту Вальтеру Едуардовичу ШМІДТУ (1880-1958), який обіймав посаду директора Ботанічного саду за сумісництвом у 1938-1940 роках.

У 1939 році після обрання директором Інституту ботаніки академіка М.М.ГРИШКА директором Ботанічного саду було призначено Якова Климовича ГОЦИКА (1921-1954), який мав досвід організаційної роботи. Саме він у доповідній записці на ім’я директора Інституту ботаніки та Президії Академії наук вперше поставив питання про надання Ботанічному саду статусу самостійної установи. Здійснення проекту натикалося на значні труднощі не лише через неповне фінансування, але й з труднощами відселення з 2/3 території приватних осіб та кількох організацій, які розташовувались на території майбутнього ботанічного саду. Та не дивлячись на це до 1941 року було зібрано близько 1050 видів рослин під відкритим небом і майже 1000 таксонів оранжерейних рослин. Було збудовано окремий корпус для наукових лабораторій академіків Б.М.ЛЮБИМЕНКА, М.Г.ХОЛОДНОГО та А.О.САПЕГІНА (нині в цьому приміщенні працює відділ культурної флори).

Під час тимчасової окупації Києва військами фашистської Німеччини більшість колекцій було втрачено, не дивлячись на героїчні намагання невеличкої групи робітників, головним чином жінок і в.о. директора Ботанічного саду – Олексія Михайловича БУРАЧИНСЬКОГО, який залишився на цій посаді до березня 1944 року. Він використовував усі можливості щоб зберегти співробітників саду та мешканців цієї території від примусової роботи в Німеччині, охороняв від переслідувань з боку німецької влади багатьох людей, зберігав майно та колекції саду. Незважаючи на це насадженням в роки німецької окупації було нанесено непоправної шкоди, і після закінчення війни довелося розпочинати створення колекції заново.

З новою силою будівництво Ботанічного саду розгорнулося ще до завершення Другої світової війни, після визволення Києва. З березня 1944 року на Звіринці знову закипіла робота і будівництво Саду, який у липні того ж року отримав статус самостійної установи Академії наук, очолив його видатний український вчений-ботанік і селекціонер, академік Микола Миколайович ГРИШКО (1901-1964). Під його керівництвом була розроблена наукова частина генерального плану будівництва Ботанічного саду згідно з постановою Раднаркому України “Про відновлення будівництва і наукової діяльності Центрального республіканського ботанічного саду АН УРСР в м. Києві”. Архітектурно-планувальну частину повоєнного проекту виконав академік архітектури О.В.ВЛАСОВ, на той час головний архітектор Києва. На першому повоєнному етапі будівництва Ботанічного саду була зосереджена увага на організації експедицій і наукових відряджень для накопичення і формування колекцій рослин. Велись пошуки найбільш цінних і необхідних видів і форм рослин з різних куточків світу, їх розмноження, формування експозицій. Зібрані колекції слугували базою формування напрямків наукових досліджень, основою яких на той час була мобілізація рослинних ресурсів на користь суспільству – створення і впровадження нових видів, форм і сортів рослин в різні галузі господарства. Заслуги першого директора повоєнного часу академіка М.М.ГРИШКА і невеликого колективу ботсадівців, в основному з числа вчорашніх фронтовиків, неоціненні, адже саме їх зусилля дали змогу створити унікальний за розмірами і складом ботанічний сад, вдало розмістити колекції і експозиції рослин і поєднати дослідницькі цілі з цілями освіти, виховання та відпочинку. Послідовники оцінили їх подвиг – подвиг справжньої самопожертви.

В період з 1958 до 1965 року колектив Ботанічного саду очолював доктор біологічних наук, член-кореспондент Академії наук України Євген Миколайович КОНДРАТЮК (1914-1998). На цьому етапі більше уваги було приділено благоустрою і підготовці Ботанічного саду для масового відвідування. Це сталося 29 травня 1964 року і з того часу Ботанічний сад гостинно приймає щорічно близько 1 млн. відвідувачів. Колекції і експозиції Ботанічного саду стали аудиторіями під відкритим небом для десятків тисяч учнів шкіл і професійно-технічних училищ, студентів всіх рівнів середніх учбових закладів і вузів, особливо біологічних, лісотехнічних, сільськогосподарських, медичних, фармацевтичних та інших напрямків. Діяльності Ботанічного саду – від початку його будівництва і до відкриття для масового відвідування характеризується як період зеленого будівництва і розгортання науково-дослідної роботи.

В 1965 році Ботанічний сад очолив Андрій Михайлович ГРОДЗИНСЬКИЙ (1926-1988). З його ім’ям пов’язаний якісно новий етап в розвитку Ботанічного саду, який полягав в поглибленні і розширенні фундаментальних наукових досліджень. Саме на цьому етапі Центральний республіканський ботанічний сад офіційно отримав у 1967 році статус науково-дослідного інституту і сформувались нові напрямки в його діяльності. Зокрема,  засновані нові відділи: алелопатії, медичної ботаніки, тропічних і субтропічних рослин, нових культур, лабораторія цитології. Значно розширилися міжнародні наукові зв’язки. Одним з головних напрямків роботи ЦРБС стала розробка теоретичних основ і методів інтродукції та акліматизації рослин. Особисто академік ГРОДЗИНСЬКИЙ розпочав фундаментальні дослідження питань хімічної взаємодії рослин, або алелопатії, які досить швидко були оцінені і отримали міжнародне визнання. Вони зміцнили авторитет академічного ботанічного саду в Києві як наукової установи міжнародного рівня. У 1972 р. Державний комітет з охорони природи при Раді Міністрів УРСР оголосив ЦРБС АН УРСР пам’яткою природи республіканського значення. У 1983 р. згідно з постановою Ради Міністрів УРСР його віднесено до об’єктів природно-заповідного фонду УРСР.

З кінця 1988 року справу академіка А.М.ГРОДЗИНСЬКОГО продовжила його учениця і послідовниця доктор біологічних наук, член-кореспондент НАН України Тетяна Михайлівна ЧЕРЕВЧЕНКО (1929-2017). Вона очолювала Ботанічний сад у 1988–2004 рр., а з 2005 до 2017 року була його почесним директором.  Під керівництвом Т.М.ЧЕРЕВЧЕНКО, у роки розбудови та становлення української держави та пов’язаної з цим економічною скрутою, великими зусиллями колективу Ботанічного саду вдалось не тільки зберегти, а й поповнити колекції рослин, продовжити розпочаті і заснувати нові напрями наукових досліджень. Зокрема було створено лабораторію біоіндикації і хемосистематики, відділ ландшафтного будівництва, розроблено основні принципи фітодизайну, розпочато дослідження впливу мікрогравітації на розвиток рослин. Започаткованій Т.М. ЧЕРЕВЧЕНКО унікальній колекції тропічних та субтропічних рослин,  у 1999 р. першій серед аналогічних колекцій в Україні було надано статус Національного надбання. Постановою Кабінету Міністрів України № 323 від 15 листопада 1991 р. Ботанічному саду було присвоєно ім’я М.М. Гришка. Відповідно до постанови Кабінету Міністрів України 1992 р. ботанічний сад затверджено як об’єкт природно-заповідного фонду, що охороняється як державне надбання. Указом Президента України від 6 жовтня 1999 р. саду присвоєно статус національного. Статус національного надбання мають також колекція півоній, монокультурні сади «Розарій» та «Сад бузків» і колекції енергетичних та ароматичних рослин Ботанічного саду.

З 2005 року директором Національного ботанічного саду імені М. М. Гришка є член-кореспондент НАН України, член Міжнародного товариства дослідників космосу (COSPAR), лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки України Наталія Василівна ЗАІМЕНКО. Завершено спорудження унікальної оранжереї (зимового саду), та формування експозицій  тропічних і субтропічних рослин. Введено в дію новий оранжерейний комплекс площею 2500 м². Впроваджено альтернативні джерела теплопостачання для обігріву оранжерейного комплексу та будівель і споруд Ботанічного саду. Значно розширені міжнародні зв’язки, зокрема з Кореєю, Китаєм, Австрією, Грузією, Молдовою, В'єтнамом, Словаччиною та ін.. В останні роки новим напрямком стало створення на території Ботанічного саду етноботанічних експозицій та створення сектору Східних садів.