При основании Ботанического сада в нем не было ни одной книги, и только в 1824 году было сделано первое и очень ценное приобретение — библиотека, оставшаяся после смерти профессора Стефана, состоявшая из 637 сочинений в 1185 томах. Позже стали выписываться книги из-за границы и приобретались сразу целые библиотеки, как, например, библиотека профессора Мертенса, затем 900 томов ботанических сочинений из бывшего Горенкского сада Директор сада Ф. Фишер купил множество книг в Англии, Германии и Франции во время своей командировки в 1824 году за границу.
В саду также велись сбор и сортировка семян, они отправлялись за границу, по каталогам выписывались семена из других садовых заведений. В 1835 году вышел первый каталог семян сада.
30 марта 1830 года было принято решение передать Ботанический сад из Министерства внутренних дел в ведомство Министерства Императорского двора. В связи с этим ежегодно выдаваемая сумма на нужды сада возросла почти вдвое, был увеличен и штат сада.
Больше внимания стало уделяться исследовательской работе, разведением аптекарских трав стали заниматься все меньше, а затем их выращивание было прекращено совсем.
В 1855 году директором Петербургского ботанического сада стал ботаник Э. Л. Регель. Он первым в России стал разрабатывать теоретические основы интродукции и акклиматизации растений, по его инициативе было организовано Русское общество садоводства. В период директорства Э. Регеля коллекция кактусов и суккулентных растений была уже достаточно крупной (в ней насчитывалось более 550 наименований, из них 377 видов и разновидностей кактусов) К 1889 году число кактусов достигло 1026 таксонов, а всего суккулентов насчитывалось 2103 наименования.
В конце XIX века сад пополнял свои коллекции растениями, которые завозили в Россию члены Русского географического общества. После пятого путешествия Н Пржевальского в Центральную Азию сад пополнился неизвестными ранее видами жимолости, гентианы, лука, эремуруса, лилии, аквилегии, дейции, груши, рододендрона, сирени, винограда.
В 1931 году на базе этого сада и Ботанического музея Академии наук СССР был создан Ботанический институт АН СССР (БИН), развивающий все отрасли ботаники.
До Великой Отечественной войны Ботанический сад БИНа был самым богатым по составу коллекций растений.
В результате блокады Ленинграда сильно пострадал парк, большой урон был нанесен саду. Самая большая оранжерея — Центральная — была разрушена бомбой, погибли ценные экземпляры. Но даже во время блокады сотрудники сада как могли боролись за жизнь редких коллекций отапливали оранжереи, разжигая в них костры, хранили у себя дома небольшие растения. Большую часть сохраненных растений составили кактусы (823 экземпляра пережили блокаду). Заслуга в спасении этой коллекции принадлежит садоводу Н И Курнакову. Все эти растения он держал в своей квартире.
После войны Ботанический сад был восстановлен относительно быстро.
Сейчас он включает в себя научный сектор, группу обслуживания коллекций открытого и закрытого грунта, семенную лабораторию, группы защиты растений, физиологическую, культуры тканей, группу экскурсоводов.
Коллекционный фонд растений Ботанического сада в начале 1980-х годов составлял примерно 10 тысяч таксонов, коллекции живых растений уникальны.
П. Лапин пишет:
В парке Ботанического сада есть участки Сибири, Дальнего Востока, Средней Азии, Крыма, Кавказа, Северной Америки. Здесь растут сибирская кедровая сосна с большими шишками и грецкий орех, серый американский орех и дальневосточное бархатное дерево.