Питання про створення Ботанічного музею в системі Академії наук України було вирішене Президією УАН у березні 1921 р. Саме тоді було засновано Ботанічний кабінет (музей) і гербарій. Саме вони стали першоосновою сучасного Інституту ботаніки ім. М. Г. Холодного НАН України та Ботанічного музею в його складі.
У тогочасній експозиції музею були представлені переважно гербарні зразки судинних рослин, грибів, лишайників, сухі плоди, насіння і цілі шишки; подекуди зафіксовані в розчинах супліддя деяких екзотичних видів рослин та інші матеріали. Вони були розміщені в семи вертикальних музейних шафах та кількох горизонтальних вітринах.
У такому стані музей існував близько 35-ти років.
Колекція після Другої світової війни
У післявоєнні роки за стан музею деякий час відповідала Олена Вісюліна.
У 1966 році, відповідно до Постанови Ради Міністрів Української РСР N440 від 8 червня, розпочато будівництво, організацію та створення експозицій, по суті, нового Ботанічного музею на площі 1400 м², на 5-му поверсі будинку по вул. Богдана Хмельницького, 15. У системі Академії наук створено Центральний науково-природничий музей (ЦНПМ) АН УРСР (у 1998 р. він отримав статус «Національного») як експозиційно-територіальний комплекс геологічного, палеонтологічного, зоологічного та археологічного музеїв, підпорядкованих відповідним інститутам Академії наук України на правах їх наукових відділів.
Завідувачем Ботанічного музею стала Дарина Доброчаєва, заступником — Борис Заверуха. Вони, а також наукова співробітниця Людмила Сипайлова, стояли біля витоків створення цілком нової експозиції Ботанічного музею.
Експозиція
Музей створювався у дві черги, по мірі вивільнення і архітектурної реконструкції приміщень під його експозиції: першу — «Рослинний світ України» та «Ботанічна наука на Україні» було відкрито для відвідувачів у травні 1969 р., другу — всі інші розділи, у вересні 1973 р. Загальна площа музею становить 1400 м2. У п'яти залах та холі представлені такі експозиційні розділи:
1. Ботанічна наука в Україні (хол).
2. Рослинний світ України (зали 1,2).
3. Охорона світу рослин (зал 3, ліва сторона).
4. Основні групи рослинного світу (зал 3, ліва сторона).
5. Клітинна будова та морфологія квіткових рослин (зал 3, правасторона).
6. Системи і еволюція квіткових рослин (зал 3, права сторона).
7. Рослини в житті людини (зал 3, права сторона).
8. Рослинний світ Євразії (зал 4).
9. Рослинний світ земної кулі (зал 5).
Особливою окрасою двох останніх залів є чудові панорамно-об'ємні діорами, в яких відображені ландшафтні картини рослинності неозорих просторів Великоземельської тундри по берегах р. Уси в приполярному Уралі; оригінальна самобутня краса світу Бадхизького заповідника в районі западини Ер-Ойландуз (Туркменістан); загальний вигляд африканської савани в період посухи; чарівність узбережжя тропічного острова у Тихому океані з кокосовими пальмами та мангровими заростями.
Експозиції Ботанічного музею нараховують близько 500 натурних експонатів, 370 кольорових та 250 чорно-білих фотографій, майже 1000 кольорових схем, малюнків, карт рослинності різних зон і ареалів багатьох видів рослин, понад 300 текстових характеристик з науковими відомостями про природні зони, флористичні райони, рослинні угруповання та особливості цікавих, цінних для науки або практики видів рослин.
Експозиційні матеріали розміщені в 109 стандартних вітринах (2,5 x 2 x 0,6 м), 8 великоформатних діорамах та 14 біогрупах, на 20 різноформатних щитах, понад 100 фризах над вітринами. Крім того, постійно періодично експонуються факультативні тематичні виставки: «Медоносні рослини», «Плоди та насіння квіткових рослин», «Харчові дикорослі рослини», «Дикорослі лікарські рослини», «Адвентивні рослини».
