Ботанический сад расположен в северо-восточной части Аптекарского острова.
В 1712 году из Москвы в Санкт-Петербург перевели Аптекарский приказ. Разместили его на Вороньем острове, который с 1713 года стал именоваться Аптекарским. В 1714 году в юго-восточной части был разбит огород, где выращивали лекарственные травы для нужд армии и флота. В это же время здесь находилось иноверческое кладбище, которое часто подвергалось нападениям вандалов.
В 1719 году рядом с огородом построили "Инструментальную избу", где изготавливали медицинские инструменты. На острове возникла Аптекарская слобода. Здесь селились только служащие Медицинской канцелярии, учреждённой в 1721 году вместо Аптекарского приказа. Без разрешения начальника канцелярии запрещалось покидать слободу и заключать браки.
В 1726 году Аптекарский остров посетил французский путешественник Обри де ла Мотре. Он писал:
Кроме Аптекарской слободы на острове находилось место для выпаса скота. Здесь же проходили казни.
В 1735 году руководство Медицинским садом поручили немецкому ботанику И. Сигизбеку. При нём здесь начали проводиться научные исследования, подготовка фармацевтов. Был составлен каталог растений Медицинского сада. Елизавета Петровна Сигизбека уволила, при ней огороды стали работать на нужды придворной кухни. На царский стол отсюда поставлялись свежие фрукты. Научные исследования в это время стали проводиться в Ботаническом саду, находящемся на 2-й линии Васильевского острова.
После преобразования в 1865 году Медицинской канцелярии в Медицинскую коллегию, директором сада стал ботаник И. Фальк. В саду появилось Ботаническое отделение. В 1798 году сад передали в ведение только что созданной Медико-хирургической академии. Директором сада становился профессор академии, читавший курс ботаники. В этот период садовое хозяйство находилось в упадке из-за недофинансирования.
В 1823 году сад преобразовали в Императорский Ботанический, в 1830 году его подчинили Министерству императорского двора. С этого времени здесь перестали готовить лекарства, сад стал научно-исследовательским центром. Улучшилось финансирование, началось новое строительство. По проекту И. И. Шарлеманя здесь построили дом садовника и дом главного ботаника. Им же была проведена перепланировка. В северной части территории вырыли круглый пруд, у которого насыпали холм. На холме установили беседку, внутри - ледники и помещение для хранения инвентаря.
Ботанический сад обладал крупнейшей в мире коллекцией растений. В 1836 году их насчитывалось около 15 000. Филиал сада существовал в Рио-де-Жанейро. В 1847 году построено здание Ботанического музея, в 1849 году - Пальмовая оранжерея. В 1855 году здесь по проекту А. И. Руска построили здание Библиотеки и Гербария.
В начале 1860-х годов Ботанический сад передали ведомству земледелия Министерства государственных имуществ. В оранжереях стали выращивать меньше декоративных растений, больше проводить научных изысканий и оказывать помощь сельскому хозяйству. В 1897 году Императорский Ботанический сад принял покровительство принцессы Евгении Максимилиановны Ольденбургской. В 1896-1899 годах по проектам К. Я. Соколова, И. С. Китнера, Н. И. де Рошфора и Н. В. Смирнова возвели новые оранжереи. Следующие новые постройки здесь появились в под руководством архитектора А. И. Дитриха 1908-1915 годах. Кроме новых оранжерей построили деревянные казармы для рабочих, здание школы садоводов, новую беседку на холме у круглого пруда. Кроме всего прочего, Дитрихом было построено новое четырёхэтажное здание Гербария и Библиотеки и профессорского состава.
В 1913 году в связи с 200-летием Ботанического сада ему присвоили имя Петра Великого.
12 августа 1906 года рядом с Ботаническим садом произошёл теракт. В результате взрыва на даче председателя Совета министров П. А. Столыпина погибло тридцать человек.
С 1918 по 1925 год сад именовался Ботаническим садом РСФСР, а затем получил статус общесоюзного ботанического сада. В 1930 году его передали Академии наук СССР. В 1940 году созданному здесь Ботаническому институту присвоили имя В. А. Комарова (его именем назван посёлок Комарово в Ленинградской области).
Во время Великой Отечественной войны Ботанический сад активно обстреливался и бомбардировался немцами. К осени 1941 года большинство оранжерей было разрушено, погибли теплолюбивые кустарники и деревья.
Дом ботаника в советское время пользовался популярностью среди кинематографистов. Он стал декорацией в фильмах "Звезда пленительного счастья" и "Евгений Онегин". В конце 1970-х годов этот дом сгорел, его восстановили в 1990-х годах.
