Первый ботанический сад в Одессе был основан ботаником-французом Карлом Десметом в 1819 году. Карл Десмет писал: "… я с радостью спешил проверить свои сведения под южным небом, где надеялся усвоить под 47 северной широты, на открытом воздухе, те роды драгоценных дерев, которые выращиваются с большим трудом в теплицах Северной Европы и умножить развитие этих дерев по мере приносимой ими пользы; но все мои надежды исчезли, когда я узнал, что изменение атмосферы, суровость более или менее продолжительных зим, чрезвычайные жары лета, сухость почвы, недостаток в воде и иссушающие ветры, господствующие здесь большую часть года, полагают препоны моим предложениям. Пришлось изучить, какие деревья и кустарники наиболее свойственны здешней почве и способны устоять столь изменчивому климату." (Скальковский, 1853).

Карл Десмет в начале своей деятельности обнаружил: "… в Одессе и ее окрестностях … 122, а именно: 65 родов и видов деревьев и 57 - кустарников. Теперь я размножил число их до 650 пород …".

Преемником ботанического сада, основанного Карлом Десметом, стал ботанический сад Новороссийского университета, который был основан в 1867 году, через два года после основания университета. После открытия университета 1 мая 1865 года, профессором А.О. Яновичем было закуплено 70 видов растений, которые находились в частной оранжерее.

Как писал А. Маркевич, "… оранжерея, состоящая из двух зал, выстроена была в 1867 году и обошлась в 2 тыс. рублей" - это и было начало ботанического сада. В период с 1869 по 1880гг. было закуплено и получено в подарок много видов растений открытого грунта, которые располагались в небольшом университетском дворе. Развитию ботанического сада много труда и внимания уделял профессор Вальц (Маркевичъ, 1890).

В 1895 году во главе ботанического сада стал проф. Ф.Каменский - специалист в области морфологии и систематики растений.

К этому времени на территории ботанического сада в оранжереях произрастало "…растений 904 номера в 1074 экземплярах, а кустарников и трав- 1399 номеров в 1523 экземплярах" (Ф. Каменский, 1898).

Состояние сада, по выводам комиссии, возглавляемой проф. Зеленским, было неудовлетворительным.

За время работы Ф.Каменского в ботаническом саду расширились связи со многими ботаническими садами мира, растения и семена поступали из Парижа и Сингапура, Мельбурна и Сайгона, Берлина и Палермо, Будапешта и Коимбры и многих других стран. Только оранжерейных растений почти безвозмездно было получено 350 видов более 1000 экземпляров, впервые был выпущен каталог растений для обмена с другими ботаническими учреждениями.

В это время ботанический сад является прежде всего учебно-вспомогательным учреждением университета. Ассигнования, выделяемые на содержание ботанического сада, постоянно снижаются и к началу ХХ столетия ботанический сад постепенно приходит в упадок.

В 1902 году заведующим ботаническим садом становится проф. Е.Ф. Клименко. Первая мировая война, революция и гражданская война наложили свой отпечаток на состояние сада.

В 1923 году сад возглавил специалист в области морфологии и систематики растений института Народного Образования профессор Свиренко, который добился перевода сада на госбюджет.

До 1926 года ботанический сад находился в ведении "Детского городка", Одесского губнаробраза, Одесского сельскохозяйственного института, что отрицательно сказалось на его деятельности.

В 1932 году уделялось большое внимание разработке методов добычи агар-агара и йода из филлофоры Черного моря - в Одессе построен завод по производству агар-агара.

В 1934 году ботанический сад переходит в подчинение восстановленному Одесскому университету. Директором сада становится доц. И.Власенко. Вся работа ботанического сада направлена на изучение и внедрение пищевых, лекарственных, технических и эфиромасличных растений, изучаются такие культуры, как цитрусовые, фейхоа, фисташка, пилокарпус, мелисса, майоран и др. большое внимание уделяется разработке методов выращивания оранжерейной культуры лимонов, каучуконосов.

В 1940 году впервые, в связи с 75-летием университета, выпущен юбилейный сборник со статьями Г.И. Потапенко "История ботанического сада", Н.З. Жаренко "О культуре фисташки", И.А. Власенко "Траншейная культура цитрусовых" и др. ( Потанеенко,1929).

Великая Отечественная война нанесла непоправимый урон коллекциям ботанического сада и только благодаря усилиям энтузиастов-ботаников (Пашута, Пацовский) удалось сохранить некоторые растения в парке и оранжерее.

Вслед за Е.Н. Киркопуло садом руководил доцент биологического факультета О.О. Титаренко 19…- 1961.

С 1961 по 1972 год директором назначен ученый-лесовод П.Н. Резник. В это время научным руководителем сада становится профессор кафедры ботаники и физиологии растений Г.В. Ткаченко.

"Технология производства кенафа в орошаемых условиях юга Украины" (научн. Руководитель - проф. Ткаченко Г.В., исполнители - Боровик Р.В.,Титаренко Л.А., Хаустова Н.Д.) По теме уточнялись технологии выращивания новой культуры для юга Украины - кенафа.

По подразделу "Гибридизация и селекция декоративных цветочных и плодовых культур (научный руководитель - проф. Ткаченко Г.В., исполнители - Луцык Е.Д., Колесников Б.М., Соломина Л.И., Возианова Н.Г.) проводилось сортоизучение и селекционная работа по культуре роз, однолетних цветочных растений и персика. Были созданы 48 гибридов астры китайской, устойчивых к фузариозу, выделены и переданы для производственного испытания питомникам области 24 сорта и один гибрид персика селекции ботанического сада.

В течение 1968-1970гг. проводились исследования по изучению стимуляторов роста и обмена веществ некоторых древесных и кустарниковых растений, а также биологической активности некоторых видов растений при совместном выращивании (исполнители - Коваленко С.Г., Шпакова В.М., Власова Т.А.).

За этот период озеленения города было передано более 1000 кустов роз, 900 саженцев персика и около 1000 экземпляров древесно-кустарниковых растений. Ботанический сад принимает активное участие в различных выставках и конференциях, опубликовано более 50 статей и тезисов.

В последующие годы проводились исследования по следующим темам:
Интродукция, изучение биологических особенностей древесно-кустарниковых и многолетних травянистых растений с целью обогащения флоры Северо-западного Причерноморья (науч. руководитель - доц. Жаренко А.З., исполнители - Филатова С.А., Осадчая Л.П., Светловская Л.И., Слюсаревская Н.С.).

Интродукция и направленное воздействие на рост и развитие декоративных цветочных и южных плодовых растений в связи с их устойчивостью и продуктивностью в условиях северо-западного Причерноморья (руководитель - проф. Ткаченко Г.В., исполнители - Бонецкий А.С., Возианова Н.Г., Колесников Б.М., Луцык Е.Д., Дмитрашко П.И., Ростеванова Т.К., Савченко Н.К., Соломина Л.И.).

Изменение физиологических процессов при интродукции и акклиматизации растений (науч. руководитель - проф. Ткаченко Г.В., исполнители - Власова Т.А., Кардаш М.А., Коваленко С.Г., Кузнецова М.Н.)

Исследование физико-химических основ устойчивости и поглотительной способности растений по отношению к химическим загрязнителям воздушной среды (научн. Руководитель - Петрушенко В.В., исполнители - Оселедченко Т.А., Ижа Т.И.).

Изучалась сезонная ритмика и развития растений, биология цветения и плодоношения, устойчивость к неблагоприятным факторам, определялись особенности водного режима, содержание углеводов в побегах, некоторые физико-химические показатели, активность летучих и водорастворимых выделений изучаемых растений, а также семенное и вегетативное размножение некоторых видов растений.

Изучалось влияние стимуляторов роста на развитие генеративных почек персика, рост и декоративные качества пионов, роз и хризантем. Выделены наиболее активные соединения, определены оптимальные концентрации и сроки обработки. По результатам исследований научные сотрудники выступили с 50 докладами на республиканских, всесоюзных конференциях и съездах, опубликованы 92 статьи и тезиса. Тысячи экземпляров древесно-кустарниковых, плодовых и цветочных культур передано для озеленения города и области.

В эти годы проведена реконструкция научных и учебно-экспозиционных участников: "Эфиромасличные и пряновкусовые растения" ( ст.н.с. Деревинская Т.И., м.н.с. Петровская Л.П., н.с. Левчук Л.В.) и " Система магнолиефитов поА.Л. Тахтаджяну"(н.с. Петрунь Н.В.), созданы коллекции почвопокровных (н.с. Чабан Е.В.), лаборатория микроклонального размножения растений (зав. Сектором Азарова Л.В.), коллекция многолетних ии однолетних цветочных растений (н.с. Крицкая Т.В., н.с. Ростеванова Т.К.), хризантем (н.с. Ростеванова Т.К.). Значительно пополнена новыми видами, сортами и формами коллекция тропических и субтропических растений (зав. Сект. Возианова Н.Г., Пилюга С.А., н.с. Оселедченко Т.А., м.н.с. Любимова Н.С.). Успешно работает семенная лаборатория ботанического сада, осуществляя обмен семенами более чем с 230 ботаническими садами мира (н.с. Голокоз А.В.). Созданы экспозиционные участки "Непрерывного цветиния" и "Красивоцветущих кустарников", выпущен путеводитель, монографии "Адаптивные реакции растений" и "Хризантемы", книга "Парки над морем".

По итогам научно-исследоваттельских работ получено авторское свидетельство № 1725435 (Бонецкий А.С., Возианова Н.Г., Николаева Н.Я.) и два патента на изобретения : №21909 (Возианова Н.Г., Ростеванова Т.К.) и №25061 (Бонецкий А.С., Возианова Н.Г., Деревинская Т.И., Крицкая Т.В.), защищены три кандидатские диссертации (Коваленко С.Г.,Возианова Н.Г., Бонецкий А.С.).

В связи с тем, что ботанический сад является учебным подразделением биологического факультета, на его базе ежегодно выполняются дипломные и курсовые работы, научные сотрудники сада читают лекции студентам, учащимся города и области, подготавливают методические пособия, каталог коллекционного фонда ботанического сада.

Ежегодно сад посещают тысячи экскурсантов.