У Національному ботанічному саду імені М.М.Гришка на площі 129,86 га створено унікальні за якісним і кількісним складом колекції квітниково-декоративних, лікарських, плодових, овочевих, пряноароматичних, кормових і технічних рослин з усіх ботаніко-географічних регіонів світу, які нараховують понад 10 тисяч видів, форм і сортів. Ці величезні колекції мають надзвичайно важливе наукове та економічне значення. Зокрема в Саду зібрана найкраща у світі колекція форм кизилу справжнього, найбільша в Східній Європі колекція дуба, клена, липи, берези, горіха, бузку, дикорослих плодових рослин. Усі колекції є особливо цінними з погляду збереження різноманітності рослин ех situ. В теплицях зростають деякі рідкісні тропічні види і навіть такі, що вже зникли в природних умовах.
У НБС ім.М.М.Гришка створено одну з найбільших у світі колекцій живих рослин помірного поясу Євразії, яка нараховує 1178 видів із 113 родин, у тому числі дерев, кущів та напівкущів – 317 видів, трав'янистих рослин – 861 вид. Складовою цієї колекції є рідкісні та зникаючі види, 59 видів ендеміків, 33 – реліктів, 136 видів, занесених до Червоної книги України та 33 – занесених до Червоних книг Росії, Білорусі, Молдови, Казахстану, Грузії та інших країн, які зростають на ділянці “Рідкісні рослини флори України”.
Завдяки унікальному ботаніко-географічному принципу представлення живих рослин у Національному ботанічному саду ім.М.М.Гришка впродовж більш ніж 60-річного періоду існування географічних ділянок сформувалися фітоценози, які відтворюють природну рослинність (типові пейзажі і навіть рельєф) окремих регіонів Євразії. Це такі експозиційні ділянки – “Ліси рівнинної частини України” (12,0 га), “Степи України” (2,5 га), “Українські Карпати” (6,0 га), “Крим” (2,5 га), “Кавказ” (5,75 га), “Середня Азія” (3,5 га), “Далекий Схід” (6,0 га), “Алтай та Західний Сибір” (1,8 га). В дендрарії на площі в 30 га зібрано унікальну колекцію дерев, кущів та ліан – 1062 видів, різновидів та форм, які представлені на ділянках: “Голонасінні”, “Березовий гай”, “Букові”, “Розові”, “Горіхово-липово-кленові”, “Бобові”, “Волога долина”, “Сад магнолій”, “Сад бузків, або сірінгарій”.
Особливу цінність становить колекційний фонд тропічних і субтропічних рослин – 3094 зразків. Гордістю цього зібрання є колекції орхідних, ароїдних, бромелієвих, бегонієвих, лілійних, вересових та сукулентів. Лише колекція орхідей перевищує 600 видів, форм, сортів та гібридів. Експозиції тропічних та субтропічних рослин для масового відвідування представлені в Оранжерейному комплексі.
Єдина в Україні колекція квітникових рослин відкритого ґрунту (4000 видів і сортів), в якій представлено всі групи квітникових культур – колекції астильби, гіацинтів, гладіолуса, жоржини, лілії, півників, півонії, тюльпанів, хризантеми, айстри, канни, газонні та декоративні трави. Велике практичне значення мають інтродуковані рослини, які використовуюються людиною. Вони розміщені на колекційних та експозиційних ділянках “Кормові” (240 таксонів), “Пряноароматичні” (106 таксонів), “Овочеві” (80 таксонів), “Лікарські” (318 таксонів) та “Плодові” (110 таконів).