Nedílnou součástí botanické zahrady je základní botanický výzkum, který se zabývá téměř všemi aspekty rostlinného světa od získání ekologických informací v terénu, poskytnutí rostlinného materiálu vědeckým institucím (vysokým školám a univerzitám) a vlastní vědecké bádání, které se do současné doby soustředilo zejména na taxonomii (popis a zařazení nových druhů), křížení rostlin a vznik nových kultivarů.
Na výzkumu evoluce a diverzity rostlin úzce spolupracujeme s Přírodovědeckou fakultou Univerzity Karlovy. Naším hlavním tématem je výzkum evolučních trendů rostlin v temperátních oblastech jihoamerických And, zejména rostlin Chile a Argentiny.
Spolupracujeme s mnoha výzkumnými organizacemi v České republice, ale i po světě a dodáváme informace o pěstovaných rostlinách, poskytujeme vzorky rostlin a drobnými dílky se podílíme na poznávání rostlinné říše.
Botanické zahrady se podílejí na popisu nových druhů, ať už vlastními publikacemi nebo ve spolupráci s ostatními institucemi. Jiří R. Haager stál za popisem několika druhů anthurií (Anthurium), orchidejí (Orchidaceae) a naposledy u pryšce nalezeného v roce 2013 v Chile.
Bývalý ředitel Jiří R. Haager se zabýval křížením orchidejí (čeleď Orchidaceae) a podpětovitých (čeleď Gesneriaceae) rostlin. Tuto práci započal již v Genofondové sbírce Botanického ústavu Československé akademie věd (ČSAV) a pokračoval v ní i v Botanické zahradě hl. m. Prahy.
