Основание. XIX век
В июне 1811 года в Петербурге император Александр I подписал «Указ об учреждении в Крыму Императорского казённого ботанического сада», в котором разрешал устроить в «полуденной части Крыма» казённый сад, ассигновав на это до 10 000 рублей ежегодно. Указ был издан по ходатайству херсонского военного губернатора герцога де Ришелье, управлявшего тогда Новороссийским краем. Инициатива Ришелье получила развитие при поддержке приближённого к императору 29-летнего графа Михаила Воронцова и при содействии главного инспектора по шелководству юга России Биберштейна — выдающегося немецкого ботаника, служившего в России уже почти двадцать лет.

В марте 1812 года, по рекомендации Ришелье и Биберштейна, на пост директора учреждаемого на Южном берегу Крыма «Императорского Таврического казённого ботанического сада» был назначен известный ученый-натуралист, помощник и ученик Биберштейна, 31-летний Христиан Стевен.Именно он организовал ботанический сад, как первое опытное садовое учреждения на юге России. По мысли Христиана Стевена, это учреждение должно было составить обширный рассадник всех полезных и декоративных растений южной Европы, для распространения их в Крыму. В сентябре 1812 года были осуществлены первые посадки.

Через три года ботанический сад выпустил свой первый каталог растений, где числилось в реализации 95 сортов яблонь, 58 сортов груш, 6 ягодных и 15 декоративных пород.

«Тут к наблюдениям и теоретическим занятиям Стевена, — писал академик П. И. Кеппен, — присоединилась и практика, которой вся южная Россия обязана разведением и распространением большого числа новых более или менее акклиматизированных деревьев и растений, как с опадающей листвой, так и вечнозелёных, а также лучших сортов фруктовых деревьев». Благодаря Стевену Никитский сад вскоре превратился в прекраснейший питомник и ботанический акклиматизационный пункт, служивший как бы этапом при переходе растений с востока на запад и обратно из Европы в Азию.

Эти заслуги Стевена по устройству сада, выясненные академиком Кеппеном в его труде Ueber Pflanzen-Acclimatisirung in Russland, побудили герцога Ришелье исходатайствовать в 1818 году у императора Александра I для трудолюбивого учёного 2 000 червонцев, которые дали Стевену возможность предпринять двухлетнее заграничное путешествие с целью изучить и подобрать плодовые и другие деревья, наиболее пригодные для снабжения ими Никитского сада.

За 12 лет неутомимой деятельности Христиан Стевен собрал более 450 видов экзотических растений. Первоначальный проект предполагал свободное размещение растений в сочетании с лужайками и видовыми площадками.

Здесь впервые были начаты опыты по культуре табака, впоследствии получившие очень успешное продолжение. Испытывались также овощные растения. При этом Стевен много и с большим увлечением занимался исследованиями дикорастущей (природной) флоры Крыма.

В 1824 году Христиан Стевен поселился в Симферополе и передал управление садом своему помощнику Николаю Андреевичу Гартвису, оставив за собой общее руководство этим учреждением.

После смерти Биберштейна в 1826 году Стевен был назначен на его место главным инспектором шелководства и за неимением времени сложил с себя звание директора Никитского ботанического сада, сохранив, однако, за собой главный надзор за этим учреждением. Садовник-смотритель Гартвис был назначен директором.

Гартвис отдал ботаническому саду всю свою жизнь, он оставался его директором до конца своих дней — 20 лет. За это время коллеция дендрария увеличилась более чем в два раза, укрепились связи со многими торговыми организациями Западной Европы и Америки. Николай Андреевич собрал замечательную коллекцию хвойных пород: гигантские секвойи из Калифорнии, кедры, кипарисы, сосны. Специальная экспедиция побывала на Кавказе и привезла в Крым пихту кавказскую (Abies nordmanniana), ель восточную (Picea orientalis), рододендроны, азалии.

В 1828 году для обучения практическому садоводству в Никитском саду была устроена школа. В это же время появились веерные пальмы, магнолии, платаны.

В том же 1828 году Гартвисом на землях урочища «Магарач», принадлежавших Никитскому саду, была произведена закладка большого Магарачского виноградника и устроено Магарачское заведение виноградарства и виноделия.

В 1866 году, после смерти Гартвиса директором Императорского Никитского сада стал Николай Цабель. Он руководил садом 14 лет, до 1880 года, уделяв большое внимание виноградарству.

В 1869 году Цабель преобразовал Магарачское заведение виноградарства и виноделия в Никитское училище садоводства и виноделия, с 5-летним курсом и правами низших сельскохозяйственных школ I разряда. Кроме того, при училище имелись высшие практические курсы по виноделию. Всех учеников в 1895 года было 84, практикантов на высших курсах — 14. С 1869 года до конца XIX века училище выпустило 129 человек.

С 1880-х годов и до начала XX века широкие опытные работы Никитского сада прекратились из-за снижения его финансирования. В этот период истории сада успешно продолжало существовать лишь Никитское училище виноградарства и виноделия. Учебная деятельность полностью поглотила ранее проводившиеся в саду опытные работы, как сообщал в своей докладной записке от 15 января 1910 года его директор М. Ф. Щербаков.

На конец XIX века Никитский сад имел около 116 десятин, из них под виноградниками, плодовым и декоративным садом, огородником, питомниками и табачной плантацией 32 десятины (виноградники занимали около 17 десятин). Вина выделывалось от 2 500 до 3 000 вёдер.

В 1912 году отмечалось столетие сада — была сооружена торжественная, выполненная в античном стиле, колоннада при входе в Нижний парк, проведено общее благоустройство территории сада.

С 1907 года начали налаживаться ботанические исследования, прервавшиеся после ухода X. X. Стевена. Этому способствовал приход в Сад крупного физиолога, будущего академика В. Н. Любименко, организовавшего в 1908 году ботанический кабинет, и выдающихся ботаников И. И. Кузнецова и Е. В. Вульфа. В 1914 году Е. В. Вульфом был создан гербарий. В настоящее время это самое крупное на территории бывшего СССР хранилище флоры Крыма, насчитывающее свыше 100 тысяч гербарных листов.

Годы СССР
Огромный урон саду нанесла оккупация немецкими войсками в годы Великой Отечественной войны. Военные уничтожили большое количество растений, вывезли ценнейший гербарий, собранный Вульфом. Сразу же после освобождения Ялты в апреле 1944 года в Никитском саду начались восстановительные работы. Директор сада Анатолий Сафронович Коверга совершил поистине подвиг: проехав тысячи километров по Польше и Германии, нашел вывезенный гербарий в небольшом местечке под Берлином и доставил его в Крым.

Находился в ведении Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук им. В. И. Ленина. В составе сада было три отделения — Центральное, Степное и Приморское и интродукционно-карантинный питомник.

В 1962 году был награжден орденом Трудового Красного Знамени. К 1973 году площадь сада с отделениями была около 960 га. К 1986 году — 996 га.

С 1992 года Никитский ботанический сад входит в систему Украинской академии аграрных наук.
В 2000 году Указом Президента Украины ему был присвоен статус Национального научного центра.