Vilniaus universiteto botanikos sodas įkurtas 1781. Jo steigėjas – iš Prancūzijos atvykęs, ligi tol keletą metų Gardine dirbęs botanikas profesorius Žanas Emanuelis Žiliberas (Jean Emanuel Gilibert, 1741–1814). Vilniaus universiteto botanikos sodas buvo vienas pirmųjų Europoje. Jis įkurtas senamiestyje, dabartinės Pilies g. 22 namo kieme. Maždaug 300 m2 plote, lauke, mediniame šiltnamyje auginti daugiau kaip 2000 rūšių augalai. Garsusis Kiju (Kew) botanikos sodas Anglijoje įsteigtas 1759.
Nuo 1784 Vilniaus universiteto Gamtos istorijos katedrai pradėjo vadovauti žymus gamtininkas ir keliautojas Johanas Georgas Adamas Forsteris (Johan Georg Adam Forster, 1754–1794). Jo rūpesčiu 1787 botanikos sodui nupirktas žemės sklypas Sereikiškėse (dabar Sereikiškių parkas ir jo apylinkės), bet čia sodą perkelti pradėta tik 1799. Augalų perkėlimo darbams vadovavo prof. Stanislovas Bonifacas Jundzilas (Stanisław Bonifacy Jundziłł, 1761–1847). Sumaniai tvarkomas sodas buvo žinomas visoje Europoje. 1824 kolekcijose jau buvo auginami 6565 rūšių augalai. Stanislovo Bonifaco Jundzilo darbus ir botanikos sodo tvarkymą nuo 1825 tęsė jo sūnėnas prof. Juzefas Jundzilas (Józef Jundziłł, 1794–1877). 1832 uždarius Vilniaus universitetą, botanikos sodas atiteko Medicinos ir chirurgijos akademijai. 1832–1840 sodui vadovavo Stanislovas Batys Gorskis (Stanisław Batys Gorski, 1802–1864). 1841 botanikos sodas perduotas generalgubernatoriaus žinion, augalai išgabenti į Kijevo ir Tartu universitetų botanikos sodus, kiti parduoti arba neprižiūrimi sunyko.
1919 atkūrus Vilniaus universitetą, po metų botanikos sodas buvo įsteigtas Neries slėnyje, vakarinėje Vingio parko dalyje. Iš pradžių jam skirtas 2 ha sklypas, tik gerokai vėliau (1962) šis plotas padidėjo iki 7,35 ha. Botanikos sodui vadovavo Piotras Višnievskis (Piotr Wiśniewski, 1881–1971), nuo 1924 iki 1937 – prof. Juzefas Tšebinskis (Józef Trzebiński, 1867–1941). 1926–1930 pastatytos oranžerijos, kuriose imtos kaupti ir augalų kolekcijos. 1923 M. K. Čiurlionio gatvės gale, netoli Vingio parko, 3 ha plote įsteigtas vaistinių augalų sodas. Botanikos sodas labai nukentėjo Antrojo pasaulinio karo metais (tuo metu sodu rūpinosi Jokūbas Movšovičius (Jakob Mowszowicz, 1901–1983)), vėliau jį nuniokojo smarkūs Neries potvyniai. 1940–1949 botanikos sodo kuratoriumi buvo Žemesniųjų augalų katedros vedėjas Antanas Minkevičius (1900–1998). 1954–1974 sodui vadovavo dr. Aldona Lučinskienė. Jos rūpesčiu sukauptos itin turtingos augalų kolekcijos: lauke auginti apie 4000, oranžerijose – apie 900 rūšių ir veislių augalai. Botanikos sodas puikavosi vaistinių augalų, , gėlininkystės, , augalų biologijos, daržininkystės, , grūdinių ir techninių kultūrų ekspozicijomis.
1974 05 14 Vilniaus universiteto botanikos sodui skirtas 150 ha sklypas Kairėnuose. Sodui ir jo kūrimo darbams 1975–1990 vadovavo direktorius Jonas Meidus. Nuo 1974 botanikos sodas Vingio parke pertvarkytas į Augalų sistematikos ir geografijos skyrių. Kairėnuose pirmieji medeliai pasodinti 1975. Imtasi senųjų tvenkinių rekonstrukcijos, pastatų remonto. Pagrindiniai Kairėnų dvaro rūmai neišliko. Tebestovi XIX a. vid. statytos arklidės, malūnas, svirnas, ratinė, ūkvedžio ir arklininko namai, tvartai, kumetynas ir kluonas. Išlikęs angliško stiliaus parkas, keturiolika tarpusavyje susietų tvenkinių, liepų alėja. Dabar Vilniaus universiteto botanikos sodas yra didžiausias Lietuvoje (plotas – 199 ha). Jame sukauptos gausiausios augalų kolekcijos, auginami apie 9000 rūšių ir veislių augalai, steigiamas Lietuvos dekoratyvinių augalų genetinių išteklių koordinacinis centras.
