Главный ботанический сад РАН расположен на месте уникальных лесных природных массивов на территории Москвы, фрагменты которых сохранились только благодаря научной и природоохранной деятельности Сада - это Ерденьевская роща в составе Останкинской дубравы и Леоновский лес. Впервые эти территории упоминаются в хрониках 1584 года, как земли, принадлежащие князьям Черкасским, в охотничьих угодьях которых любил охотиться еще отец Петра-I - царь Алексей Михайлович. В 1743 году эти земли перешли во владение Шереметевых, купивших «сельцо Осташково» с усадьбой. Владелец «Останкино» граф Николай Шереметев, являясь восприемником новых идей садоводства, превращает ближайшую к имению часть рощи (так называемый Прибавочный сад, купленный позже) в Английский парк, формируя который садовник-англичанин стремился достичь естественного характера пейзажа. Были выкопаны 5 искусственных прудов, питающихся водой речки Каменки, одного из притоков Яузы. Из документальных источников известно, что основными древесными породами парка были дуб, липа и клен; из кустарников преобладали лещина, жимолость и калина.
Официальной датой основания ГБС считается 14 апреля 1945 г. Однако еще задолго до этого в рамках общего Градостроительного плана развития Москвы существовала программа создания Ботанического сада, о чем свидетельствуют архивные документы - эскизные проекты 1940 и 1945 гг., разработанные архитектором И.М. Петровым. По проекту 1940 года границы Ботанического сада должны были проходить по Окружной железной дороге с севера, современной улице им. Академика Королева с юга, захватывая территорию всего Марфинского комплекса на западе, и на востоке простираться до проспекта Мира. По проекту 1945 года северная и южная границы оставались без изменений, но с запада сад ограничивался Ботанической ул. (за исключением участка под современной производственной территорией), а на востоке - Сельскохозяйственной ул. В обоих случаях в территорию Ботанического сада, кроме нынешних, входили по проектам земли Всесоюзной сельскохозяйственной выставки (современный ВВЦ), усадьба «Останкино», Останкинский парк (Парк им. Ф.Э. Дзержинского) и часть Леоновского леса. И в том и в другом случае, это было замечательное композиционное решение с четкой осевой структурой, развитой и функционально удобной дорожно-тропиночной сетью и глубоко продуманным зонированием.

В период с 1945 по 1969 гг. в соответствии с распоряжениями Правительства СССР, решениями Моссовета и постановлениями Президиума Академии наук СССР Главному ботаническому саду были переданы земли, на которых в настоящее время размещены основные ботанические и ландшафтные экспозиции, а также производственные территории. Согласно Государственному акту № М02-011940 от 27.07.1998 года, выданному правительством Москвы, Главному ботаническому саду РАН передано в бессрочное пользование 331,49 га в границах современных владений.

Проект современной планировки, т.е. новый генеральный план 1948-1950 гг., разработан архитектором И.М. Петровым под руководством академика Н.В. Цицина и академика А.В. Щусева. В него вошли большая часть Останкинской дубравы (Ерденьевская роща), ограниченная с юга Шереметевскими прудами, два из которых находятся на территории ГБС РАН, а остальные принадлежат ВВЦ, часть Леоновского леса на востоке в пойме р.Яузы и производственный участок по Владыкинскому шоссе (ныне Ботаническая ул.), отведенный специально под питомник. Разработка проектов партерной части около современного главного входа и лабораторного корпуса, а также идея создания искусственных микроландшафтов дендрария, включенных в естественные насаждения с целью наименьшей их трансформации, принадлежит другому выдающемуся ландшафтному архитектору, получившему образование во Франции, - Л.Е.Розенбергу. По его проекту создан один из крупнейших в мире дендрариев, включающий 1900 видов деревьев и кустарников со всего мира. В период 1950-1970 гг. в Ботаническом саду построены все основные экспозиции и созданы коллекционные участки - модели географических ландшафтов СССР в отделе флоры, обширная коллекция цветочно-декоративных растений и экспозиции «Розарий», «Сад непрерывного цветения», «Сад прибрежных растений» и «Теневой сад». В Фондовой оранжерее собрана одна из наиболее крупных в Европе коллекция тропических и субтропических растений, насчитывающая около 5300 видов и форм.

Постановлением Президиума Академии наук СССР 2 декабря 1991 г. Главному ботаническому саду присвоено имя академика Н.В. Цицина.