Botanický ústav AV ČR byl založen 1. 1. 1962 usnesením 21. zasedání prezidia Československé akademie věd ze dne 20. 12. 1961.

Jeho počátky se však vztahují již k roku 1954, kdy byla založena Geobotanická laboratoř Biologických ústavů ČSAV. Pro rozvoj botanických oborů v tehdejším Československu byla velmi důležitá 50. léta minulého století, konkrétně období 1953–1955. V roce 1953 vzniklo v Bratislavě Oddělení geobotaniky a rostlinné systematiky SAV, v letech 1954 a 1955 byly založeny Geobotanické laboratoře ČSAV v Průhonicích (1. 1. 1954) a Brně (1. 4. 1955). Každá z těchto tří institucí měla své vlastní úkoly: zatímco bratislavské pracoviště bylo zaměřeno na geobotanický výzkum luk a pastvin Slovenska a přípravu Květeny Slovenské republiky, cílem průhonického pracoviště bylo sestavení Geobotanické mapy Českých zemí; brněnské pracoviště se zaměřilo na široce pojatý regionální výzkum jižní Moravy. Členové brněnského pracoviště se však rovněž zapojili do geobotanického mapování Českých zemí. V roce 1968 se stala Botanická zahrada ČSAV součástí Botanického ústavu ČSAV.

Vedoucím průhonického pracoviště byl od vzniku Geobotanické laboratoře R. Mikyška; dalším pracovníkem byl zprvu pouze J. Moravec. Ke Geobotanické laboratoři tehdy administrativně patřila Stanice alpinek v Černolicích vzniklá z dřívější firmy Stivín – alpinky. Průhonice byly považovány za vhodné sídlo nově se tvořícího ústavu především proto, že v zámku byl po válce soustředěn rozsáhlý herbář botanického oddělení Národního muzea, v obci byl soustředěn zemědělský a zahradnický výzkum a byl zde též známý park s cenným sortimentem dřevin. Do Geobotanické laboratoře v Průhonicích byli následně přijati J. Houfek, M. Husová, J. Květ a Z. Neuhäuslová. V červenci 1955 přešel do Geobotanické laboratoře I. Klášterský s cílem založit pracovní skupinu pro experimentální taxonomii rostlin. Následně byli přijati J. Měsíček, A. Chrtková a I. Novotná. Vedoucím pobočky Geobotanické laboratoře v Brně byl bryolog, fytogeograf a geobotanik J. Šmarda, mykocenolog a koordinátor akce „Mapování 100 druhů vyšších hub“ v českých zemích. Následně byla přijata M. Rychnovská, která zde vytvořila skupinu pro ekologii rostlin, základ pozdějšího ekologického oddělení. Později nastoupili K. Rybníček a E. Rybníčková, kteří založili pracovní skupinu pro palynologii, E. Balátová, B. Úlehlová a R. Neuhäusl.

Vlastní Botanický ústav ČSAV vznikl sloučením obou Geobotanických laboratoří – průhonické a brněnské. Jeho prvním ředitelem byl S. Hejný (1962–1990). Od roku 1990 byli řediteli R. Neuhäusl (1990–1991), J. Štěpánek (1991–1995), F. Krahulec (1995–2003), J. Kirschner (2003-2012), M. Vosátka (2012-2017) a J. Wild (2017 až dosud). Na počátku měl Botanický ústav tři oddělení: geobotanické (vedoucí J. Moravec), taxonomické (vedoucí J. Holub) a ekologické (vedoucí M. Rychnovská).

V prvních letech průhonického pracoviště byl výzkum Geobotanického oddělení soustředěn na sestavení Geobotanické mapy Českých zemí. Průvodní text k mapě byl vydán v roce 1968. Jednotlivé listy mapy byly publikovány od roku 1968 a souhrnně vydány v roce 1972. Po dokončení Geobotanické mapy Českých zemí se mapování přeneslo na Slovensko, kde všichni členové oddělení spolupracovali na přípravě Geobotanické mapy Slovenska. Další činnost geobotanického oddělení se soustředila na přípravu vegetačních monografií věnovaných zpracování určitých vegetačních jednotek ve větším území. Výsledkem byla série knižních publikací „Vegetace ČSSR, ser. A“ vydávaných v letech 1965-1985 v Nakladatelství ČSAV, od roku 1965 v Academii. Do roku 1985 vyšlo 15 svazků této série. Problémy v nomenklatuře syntaxonů řešil J. Moravec na mezinárodní úrovni přípravou Kódu fytocenologické nomenklatury, kde byl jedním z nejdůležitějších spoluautorů. Kód byl postupně doplňován a publikován ve třech doplněných vydáních. Členové oddělení spolu s J. Holubem také vypracovali přehled vyšších vegetačních jednotek ČR (1967). Pod vedením J. Moravce byly v letech 1983 a 1995 zpracovány další dva přehledy vegetace ČR, doplněné stupněm jejího ohrožení. Knižní publikace celorepublikových přehledů jednotlivých fytocenologických tříd „Přehled vegetace České republiky – Vegetation Survey of the Czech Republic“ vycházely od roku 1988. Vyšly pouze 4 svazky zaměřené na lesní vegetaci.

Po dokončení geobotanické mapy Českých zemí byla koncem sedmdesátých let zahájena práce na sestavení obdobné Mapy Evropy, jejímž jediným koordinátorem byl až do své smrti v roce 1991 R. Neuhäusl. Současně bylo v 80. letech zahájeno podrobné mapování Chráněné krajinné oblasti a Biosférické rezervace Křivoklátsko, v 90. letech byla sestavena nová, ve srovnání s dřívější celorepublikovou mapou z 60.-70. let značně podrobnější, Mapa potencionální přirozené vegetace Českých zemí. Do mapování jsou stále více zapojovány počítačové techniky jako GIS (Mapa PPV NP Šumava). Ve vedení oddělení se vystřídali J. Moravec, Z. Neuhäuslová a J. Kolbek.

V Geobotanickém oddělení se postupně profilovaly pracovní skupiny, které posléze daly vznik novým oddělením. První byla skupina pro výzkum antropofyt, ze které vzniklo samostatné stejnojmenné oddělení vedeném S. Hejným již v roce 1964. Tato skupina se zabývala studiem člověkem ovlivňovaných společenstev polních plevelů, ruderálních stanovišť i pobřeží vod. Studium bylo zaměřeno jak na synantropní vegetaci, tak na jednotlivé taxony. Byly zde řešeny i otázky biologie plevelů i boj proti nim. Ve vedení tohoto oddělení se střídali S. Hejný, Z. Kropáč, K. Kopecký; do oddělení patřili též M. Lhotská, V. Jehlík a později také J. Dostálek ml. Začátkem 90. let bylo toto oddělení zčásti včleněno do Geobotanického oddělení, zčásti jeho pracovníci pokračovali na jiných pracovištích.

Počátkem 90. let se od Geobotanického oddělení v Průhonicích oddělila skupina, která vytvořila samostatné oddělení populační ekologie vedené zprvu F. Krahulcem, později V. Hadincovou, P. Zákravským a T. Herbenem. Cílem studia této skupiny jsou otázky vnitrodruhové proměnlivosti, druhové koexistence a studium časoprostorových procesů v rostlinných společenstvech. Po 12 letech se vyděluje a vytváří samostatné oddělení genetické ekologie kolektiv vědců pod vedením F. Krahulce a později Z. Hroudové.

Brzy potom začal P. Pyšek ve spolupráci s K. Prachem formovat skupinu a později samostatné oddělení pro studium rostlinných invazí. Toto oddělení se zabývá obecným studiem biologických invazí i studiem jednotlivých invazních rostlin; úspěšně se podílí na přípravě světových kompendií a příruček publikovaných v předních světových nakladatelstvích. Karel Prach a P. Pyšek jsou též členy výzkumného týmu zaměřeného na studium sukcese na antropogenních (člověkem vytvořených) stanovištích.

Taxonomické oddělení bylo druhým nejstarším oddělením v tehdejší Geobotanické laboratoři ČSAV. Základem oddělení se stala pracovní skupina pro experimentální taxonomii rostlin pod vedením I. Klášterského a fytogeografická skupina. Se vznikem Botanického ústavu ČSAV v roce 1962 bylo vedení předáno J. Holubovi. Toto oddělení se zaměřilo na dvě hlavní témata: (i) experimentálně-taxonomický výzkum modelových druhů (Arabis hirsuta komplex: I. Klášterský, I. Novotná, J. Měsíček, čs. druhy r. Lotus – Žertová, později Rorippa – P. Tomšovic). (ii) přípravu Květeny Č(SS)R. Zde se v první fázi organizace a přípravy rukopisů aktivně uplatnil B. Slavík a o prosazení tisku se zasloužil S. Hejný. Botanický ústav koordinuje vydávání tohoto prestižního souborného díla naší flóry již od roku 1988. V roce 2002 byl za vydatného přispění Botanického ústavu vydán Klíč ke květeně České republiky. Členové oddělení se podíleli i na přípravě mezinárodních flór i celoevropské květeny Flora Europaea a Atlas Florae Europeae. Ve vedení oddělení se dále vystřídali B. Slavík, J. Kirschner a J. Štěpánková, která posléze převzala i organizaci přípravy a vydávání Květeny ČR. K taxonomickému oddělení patřila v minulosti i Stanice alpinek v Černolicích zaměřená na výměnu semen rostlin podchycených v Index seminum (V. Větvička, L. Moravcová).

Do taxonomického oddělení patří mykologická skupina: V. Holubová-Jechová, A. Vězda Z. Pouzar a F. Kotlaba, který koordinoval mapování makromycetů v evropském měřítku za všechny socialistické státy. Později nastoupila L. Kotilová (roz. Kubičková) a M. Réblová, která navázala na výzkum V. Holubové-Jechové. Do oddělení patří i lichenologická skupina: J. Liška, později též Z. Palice a Š. Slavíková.

V rámci tehdejšího Geobotanického oddělení se zformovala též fytogeografická skupina zaměřená na přípravu Fytogeografického atlasu ČSSR. V této skupině pracovali J. Houfek, F. Mladý, B. Slavík a E. Hadač. Skupina též koordinovala floristický výzkum jednotlivých poboček ČSBS. Později se tato skupina stala součástí Taxonomického oddělení. Bohumil Slavík v letech 1986, 1990 a 1998 publikoval tři svazky Fytokartografických syntéz.

Ekologické oddělení vzniklo v roce 1960 v Brně. Zahrnovalo dvě pracovní skupiny: ekologickou a palynologickou. První se pod vedením M. Rychnovské zaměřila na studium vodního provozu rostlin a ekofyziologický výzkum na modelu kavylů a kostřav. Studium vodního provozu rostlin doplňoval výzkum mikrobiální činnosti (B. Úlehlová) a výzkum produkce rostlin (J. Květ). Byly zde vyvíjeny nové laboratorní i terénní metody pro ekologický výzkum. Oddělení pořádalo v 60. letech řadu metodických instruktáží pro pracovníky asi ze 40 pracovišť. Šlo např. o využití fytometrů pro stanovení vlhkosti, terénní metodu pro stanovení denní křivky dýchací mohutnosti půdy, aj. Možné směry vhodně organizovaného ekologického výzkumu shrnuje kniha Ekologie lučních porostů (M. Rychnovská, B. Úlehlová, E. Balátová, Pelikán 1985). Tato publikace je prvním uceleným dílem, které pojednává o loukách z komplexního ekosystémového a synekologického hlediska. Svým moderním interdisciplinárním pojetím je zcela originální a nenavazuje přímo na žádnou podobně koncipovanou publikaci ani v našem, ani ve světovém písemnictví. Oddělení bylo hnací silou dvou jihomoravských projektů IBP: výzkum nížinných aluviálních luk a mokřadů a rybničních litorálů. Další ekosystémová studie byla zaměřena na výzkum smilkových luk a jejich fungování v pramenné oblasti Žďárských vrchů. Oddělení později patřilo k různým institucím (Ústav experimentální fytotechniky, který později přešel pod Ústav systémové a ekologické biologie, po roce 1990 byl rovněž součástí Ústavu ekologie krajiny) a k Botanickému ústavu se vrátilo v 90. letech.

Do ekologického oddělení střídavě patřila paleoekologická skupina, ve které kromě manželů Rybníčkových pracují V. Jankovská v Brně a H. Svobodová, která později přešla do Geobotanického oddělení v Průhonicích. Palynologická skupina je zaměřena na studium vývoje vegetace v kvartéru na základě pylových analýz zprvu z Českomoravské vysočiny, jižních Čech včetně Šumavy, Jeseníků, Jizerských hor, Rakovnicka, Moravy-Vracova, Oravské kotliny, Kremnického pohoří a Vysokých Tater, později i ze zahraničí (západní Evropa a Sibiř). Skupina zajišťuje i zpracování makrozbytků z rašelinných profilů a spolupracovala na přípravě Mapy potencionální přirozené vegetace Evropy. Ze starších výsledků této skupiny je třeba uvést dvě knižní publikace Vegetace ČSSR, ser. A, a paleogeobotanické mapy Českých zemí, první svého druhu u nás, poskytující přehled o šíření dřevin a jejich porostů na celém území ČR v různých historických etapách.

V roce 1971 bylo v Třeboni založeno Hydrobotanické oddělení pod vedením I. Šetlíka (D. Dykyjová, J. Květ, J.P. Ondok, O. Lhotský a později J. Jeník), do něhož přešla algologická skupina z Laboratoře pro výzkum řas při Mikrobiologickém ústavu ČSAV v Třeboni. Další pracovníci Hydrobotanické oddělení, H. Ettl a P. Marvan, se později stávají spoluzakladateli oddělení experimentální fykologie a ekotoxikologie. Někteří z původních pracovníků algologické skupiny (např. J. Komárek) působí v třeboňské části Botanického ústavu dodnes. Tato laboratoř se měla specializovat na výzkum produkčních vlastností řas a technologickou přípravu jejich poloprovozní výroby. Později se z ní vyčleňuje skupina pod vedením J. Komárka, která se zabývala převážně taxonomií a ekologií řas. Studium taxonomie řas se soustředilo na monografické zpracování některých důležitých skupin (Desmidiaceae, Xanthophyceae, Chlorococcales, různé taxony Cyanophyta a rodu Chlamydomonas). Členové tohoto týmu se podíleli na přípravě mezinárodních kompendií „Süsswasserflora von Mitteleuropa“ und „Phytoplantkon des Süsswassers“. Byly vypracovány metody řasových biotestů a prováděly se detailní studie biologie a životních cyklů určitých, ekologicky důležitých, řasových taxonů. Součástí výzkumu této laboratoře bylo i vyvíjení nových kultivačních metod, které byly z velké části patentovány. Od sedmdesátých let se v Třeboni nachází sbírka autotrofních organismů, která byla založena v Praze již před II. světovou válkou. Řasová sbírka zahrnuje nyní více než 1000 kmenů sinic, řas, mechorostů, kapraďorostů a okřehků, včetně unikátního souboru izolátů sinic a řas z polárních oblastí.

Podstatná část výzkumu Hydrobotanického oddělení navazuje na dlouhodobé studium jihočeských rybníků, organizované S. Hejným. Výzkum původně zahrnoval tři odvětví: a) studie společenstev makrofyt ve vodních a litorálních biotopech, b) ekologii mokřadů a c) taxonomii, biologii a ekologii řas. Výsledky čs. IBP studií o ekologii mokřadů byly publikovány v knize „Pond Littoral Ecosystems, Structure and Functioning“. Dále pokračoval výzkum fungování a role těchto společenstev v ekosystémech a studium jejich významu z hlediska bioindikace. Fytocenologické přehledy těchto společenstev byly využívány pro typologii a kategorizaci rybníků a jiných vodních ploch. Spadají sem i výzkumy J. Jeníka, N. Končalové, D. Dykyjové a dalších na Mokrých loukách u Třeboně. Z iniciativy oddělení vznikla komise pro ochranu přírody a životního prostředí při Městském národním výboru v Třeboni. V roce 1975 byl zpracován odborný souhrnný dokument „Přírodní poměry a životní prostředí Třeboňska“, který sloužil jako podklad pro návrh Chráněné krajinné oblasti Třeboňsko pro Krajské středisko státní památkové péče a ochrany přírody v Českých Budějovicích. Třeboňsko bylo na základě téže zprávy v roce 1977 zařazeno do mezinárodní sítě biosférických rezervací UNESCO (MaB). V MaB se přešlo od rákosin k dalším tématům včetně modelování ekofyziologických procesů (J.P. Ondok). Byly též zpracovány podklady k vyřešení konfliktů mezi ekology a ekonomy v jihočeských pánvích. Třeboňské pracoviště spravuje sbírku vodních a mokřadních rostlin ČR, kterou založil Š. Husák v roce 1976. Sbírka dnes čítá asi 340 druhů, obsahuje velkou většinu vodních a mokřadních rostlin ČR a zahrnuje více než polovinu druhů této poměrně početné ekologické skupiny mírného pásu.

V roce 1986 bylo Hydrobotanické oddělení rozděleno na čtyři skupiny: 1) Taxonomie, biologie a ekologie řas (Centrum pro algologii); 2) Biologie a ekologie vodních a bažinných cévnatých rostlin, 3) Ekofyziologie a produkce mokřadních rostlin a 4) Synekologie (Oddělení funkční ekologie). Posléze vznikl z Hydrobotanického oddělení samostatný úsek. Dlouholetým vedoucím Hydrobotanického oddělení byl S. Hejný. Ve vedení oddělení a později úseku se dále vystřídali D. Dykyjová, S. Přibil, J. Pokorný, J. Elster, O. Rauch a J. Klimešová.

Do roku 1979 byla součástí Botanického ústavu Hydrobiologická laboratoř. Její výzkum byl zaměřen na řešení limnologických problémů, zvláště studium vodárenských nádrží. Vedoucím byl J. Hrbáček. Laboratoř řešila speciální otázky jako znečištění vod, mineralizace organické hmoty ve vodách a vztah mezi produktivitou nádrží a množstvím ryb. Studovalo se i zatížení vodárenských nádrží nitráty a fosfáty. Byly zde sestaveny modely a prognózy eutrofizace nádrží. Kromě toho se studovala taxonomie a bionomika vodních organismů. V roce 1979 byla laboratoř administrativně převedena do Ústavu krajinné ekologie ČSAV.

Problémem znečištění vodárenských nádrží a bioindikace se posléze začalo zabývat brněnské oddělení experimentální fykologie a ekotoxikologie vedené B. Maršálkem, které vzniklo z brněnské skupiny administrativně třeboňských algologů, H. Ettla a P. Marvana.

V roce 1974 bylo k Botanickému ústavu přiřazeno Oddělení lesnické biologie v čele s prof. Rypáčkem. Výzkum byl soustředěn na ekofyziologii klíčení dřevin a růstu semenáčků, dynamiku dekompozice organické hmoty a ekologii planě rostoucích dřevin. V tomto oddělení byla též propracována metodika využití filmové techniky ve výzkumu.

V ústavu působila také 2 výzkumná centra – Výzkumné centrum pro bioindikaci a revitalizaci a Centrum pro výzkum biodiverzity.

Od roku 1966 vydává Botanický ústav mezinárodní časopis Folia Geobotanica, ve kterém vycházela řada syntéz o naší flóře a vegetaci. Postupně začali do časopisu stále více přispívat zahraniční autoři a časopis byl zahrnut do mezinárodního indexu WOS. V roce 1969 byl založen odborný časopis Algological Studie. Protože s tiskem a distribucí byly v Čechách problémy, převzalo tuto činnost nakladatelství Sweizerbart ve Stuttgartu a časopis se stal samostatnou dodatkovou řadou oficiálního publikačního orgánu Mezinárodní limnologické společnosti „Archiv für Hydrobiologie“. Výkonným redaktorem tohoto časopisu je od samého počátku O. Lhotský. Údaje o publikacích členů ústavu byly průběžně uváděny v sérii Bibliographia botanica čechoslovaca vydávané ústavem od roku 1967.

V roce 2017 byla sloučena Oddělení genetické ekologie a Oddělení průtokové cytometrie za vzniku Oddělení evoluční biologie rostlin.