Nel 1852 l'Accademia dei Georgofili di Firenze, prima società pubblica di studi agrari in Europa, incaricò un'apposita commissione, presieduta dal marchese Pietro Torrigiani, di istituire una società di orticultura in Toscana. La commissione organizzò a settembre dello stesso anno un'esposizione nel Palazzo della Crocetta, come "saggio esplorativo dell'attitudine dei Toscani alla cultura dei Giardini e degli Orti". Il buon esito della manifestazione favorì la nascita, nel 1854, della Società Toscana di Orticultura con lo scopo di promuovere "l'amore ed il gusto per l'Orticultura; e primieramente con pubbliche esposizioni e collezioni di premi". La Società doveva inoltre creare un giardino sperimentale per favorire "la cognizione delle buone pratiche orticole". Fu così che nel 1859 il marchese Ludovico Ginori Lisci, membro della Società, rese disponibile un vasto appezzamento di terreno, tra il Mugnone e la via Bolognese, per impiantarvi l'orto sperimentale. Le prime piante madri furono donate da illustri orticoltori e agronomi toscani, dal Museo di Fisica e Storia Naturale e dal Giardino dei Semplici di Firenze. Finalmente, nel 1862, nel giardino fu organizzata per la prima volta un'esposizione di orticultura. Per l'occasione fu costruito, su progetto dell'ingegnere Alessandro Pasqui, un padiglione in legno illuminato da lampioncini colorati, detto "padiglione cinese", che conferì al giardino un aspetto orientaleggiante.

Nel 1880 la Federazione Orticola Italiana scelse il giardino dell'Orticultura di Firenze come sede per la Prima Esposizione Nazionale. Per l'occasione, la Società Toscana di Orticultura promosse la costruzione di un grande tepidario atto al ricovero delle piante provenienti dai paesi subtropicali e temperati caldi. Si tratta sicuramente della struttura più spettacolare del giardino. L'opera, realizzata dalle Officine Michelucci di Pistoia su progetto dell'architetto Giacomo Roster, costituiva uno straordinario esempio, emergente nel panorama nazionale, di architettura in ferro e vetro. L'ardito edificio, la cui struttura metallica è sorretta da 24 colonne in ghisa, con interno cavo per convogliare e far defluire le acque piovane, è collocato all'incirca dove pochi anni prima fu posto il "padiglione cinese". Il tepidario stimolò l'interesse per la ricerca botanica e la sperimentazione delle colture in serra.

Le iniziative organizzate nel giardino accompagnarono alcuni momenti significativi per la collettività, come l'esposizione del 1887 allestita per lo scoprimento della facciata del Duomo di Firenze. In quegli anni il giardino, dotato di varie serre, cercò di integrare l'attività sperimentale di orticultura con la creazione di specifiche aree per le piante ornamentali. L'Esposizione Internazionale di Floricoltura del 1911, organizzata in concomitanza del cinquantenario della proclamazione del Regno d'Italia, comportò radicali modifiche all'assetto del giardino. La manifattura di Signa realizzò, nella zona centrale, la graziosa Loggetta Bondi. Dopo un periodo di lento declino, nel 1931 l'area fu acquistata dal Comune, che predispose un piano di recupero.

Il giardino presenta attualmente molti alberi d'alto fusto, aiuole e un'area ricreativa per bambini. Il tepidario del Roster, dopo un recente restauro, è ritornato all'antico splendore.