Il giardino di Boboli costituisce uno degli esempi più grandiosi di giardino all'italiana poiché, nonostante le trasformazioni subite nel tempo, conserva l'impostazione architettonica e scenografica cinquecentesca. Il progetto si deve a Niccolò Pericoli detto il Tribolo, incaricato, nel 1550, da Cosimo I de' Medici di creare un giardino per la reggia di Palazzo Pitti. Dopo la morte del Tribolo, nel corso del Cinquecento, molti architetti si avvicendarono nella direzione dei lavori del giardino, rispettandone la concezione iniziale: Davide Fortini, Giorgio Vasari, Bartolomeo Ammannati e Bernardo Buontalenti. La collina alle spalle del palazzo fu suddivisa geometricamente disponendo in maniera regolare e simmetrica alberi e aiuole. La grande cava di pietra ai piedi della collina fu trasformata in un anfiteatro verde. Il giardino fu inoltre arricchito da grotte artificiali, fontane e arredi scultorei. Nei primi decenni del Seicento, sotto la guida degli architetti Giulio e Alfonso Parigi, il parco fu esteso fino a Porta Romana e l'asse compositivo divenne il cosiddetto Viottolone, un grande viale di cipressi che conduce al Bacino dell'Isola. A sud del viale furono piantati tre grandi labirinti, ideati per divertire e sorprendere il visitatore, e l'anfiteatro fu trasformato in una struttura in muratura, prestigioso luogo teatrale della Firenze barocca. In epoca lorenese, gli interventi riguardarono prevalentemente la costruzione di edifici funzionali alle esigenze della corte, come il Kaffeehaus, la Limonaia e la Palazzina della Meridiana. Nel 1834, per l'apertura di un grande viale carrozzabile, furono distrutti i labirinti e molti viali rettilinei vennero trasformati in viali curvilinei secondo il gusto del giardino paesistico all'inglese. In questo periodo le aperture del giardino al pubblico, inaugurate da Pietro Leopoldo di Lorena nel 1766, si intensificarono.

In corrispondenza del tratto terminale del Corridoio Vasariano, si trova la Grotta Grande realizzata da Bernardo Buontalenti fra il 1583 e il 1593. La grotta, complemento ideale del giardino cinquecentesco, è il luogo in cui natura, arte e tecnica si compenetrano. La decorazione della grotta fu infatti realizzata con materiali naturali – stalagmiti, stalattiti, "spugne" – composti architettonicamente per dare vita a una natura artificiale, animata da giochi d'acqua resi possibili grazie a una raffinata tecnica idraulica. La Grotta del Buontalenti è il risultato della trasformazione di un "vivaio", ossia di un deposito d'acqua, progettato da Giorgio Vasari, al quale si devono la facciata e la loggetta d'ingresso. La decorazione della facciata, con figure "alla rustica", è opera di Giovanni Battista del Tadda.

Il Giardino di Boboli si caratterizza per l'abbondanza delle acque e delle fontane monumentali. La Vasca del Forcone è il risultato della trasformazione settecentesca, su progetto di Zanobi del Rosso, dell'originario "vivaio" rettangolare, bacino di raccolta delle acque provenienti dall'acquedotto di Arcetri per l'irrigazione del giardino. L'ampliamento seicentesco di Boboli rese necessaria la realizzazione di una nuova conserva d'acqua. Seicentesca è anche la lunghissima catena d'acqua della Fontana dei Mostaccini, realizzata da Romolo Ferrucci del Tadda, posta sotto le mura trecentesche. A Giulio Parigi si deve invece la Vasca dell'Isola, realizzata tra il 1612 e il 1620. Il bacino è formato da una grande vasca ovale, al centro della quale è situata un'isola, originariamente destinata alla coltivazione di agrumi e di fiori, e alla quale si accede da due passaggi, chiusi da cancelli, in asse con il Viottolone. Il giardino dell'isola conserva il disegno originario e, nella bella stagione, ospita le conche di agrumi, mentre nelle aiuole si trova una collezione di rose antiche. Al centro dell'isola è posta la Fontana dell'Oceano del Giambologna, realizzata nel 1576 per l'Anfiteatro e collocata qui nel 1636.

L'interesse di Cosimo I per la botanica e in particolare per le piante medicamentose determinò la creazione, nel primitivo impianto del Giardino di Boboli, di un Giardino dei Semplici, posto sulla sommità della collina, dove ora si trova il Giardino del Cavaliere. Dopo il 1612 la coltivazione di piante medicinali fu sostituita da quella di fiori rari, ma i giardini destinati allo studio delle piante non scomparvero dal parco. Nel 1737 il Granduca Giangastone de' Medici istituì all'interno di Boboli un giardino botanico affidandone la gestione a Giovanni Targioni Tozzetti. Nel 1775 la fondazione del Museo di Fisica e Storia Naturale (dove oggi ha sede "La Specola"), voluto da Pietro Leopoldo, fu l'occasione per allestire un nuovo giardino botanico in Boboli, nella zona verso l'ingresso di Annalena su via Romana. Nel 1782 uscì il primo catalogo delle piante. Alla fine del secolo, il giardino risultava dotato di molte specie locali ed esotiche, disponendo anche di serre riscaldate, vasche e condotte per l'acqua. Nel 1807 Maria Luisa Borbone Parma, reggente del regno di Etruria, istituì nel Museo il "Liceo di Scienze Fisiche e Naturali", assegnando una delle sei cattedre alla botanica. Dal 1842 al 1877 il Giardino Botanico di Boboli fu diretto da Filippo Parlatore che creò serre per le piante tropicali e due vasche per le piante acquatiche. Alla fine dell'Ottocento fu deciso il trasferimento dell'Orto Botanico da Boboli al Giardino dei Semplici. Attualmente, nel Giardino Botanico Superiore si trova un'interessante collezione di piante acquatiche e tropicali.