植物標本館於1929年創立。館藏標本十分豐富多樣，典藏有東南亞及太平洋島嶼等地採集的標本及最具代表性及珍貴的海外收藏品，包括二次大戰前收集的庫頁島、海南島及南太平洋密克羅尼西亞群島的標本。典藏量多達28萬份以上，也與約30個國家150個機構互有交流及交換標本。典藏模式標本超過1200餘份，及1950年前採集且具研究價值的古老標本6萬餘份。

溫室：位於標本館前方的日治時期建造的溫室，由於年久失修，破損嚴重，於2009年9月21日動工整修，2010年1月中旬完成修復，恢復了原生植物活體保存、苗木培育及示範、教育及研究之功能。

室內展示空間：包含常設展區、民族植物區、行動展示盒租借中心、及特展區，於2013 年12月籌設完成，展示主題為「舊種子の再萌發」，2016年則推出以「葉、花、果」為主題之更新展，2021年更新展出主題為「綻放九十-常設展更新暨植物科學繪圖」。希望參觀者能用心的感受，在視覺、嗅覺與聽覺上，對於植物科學有著新的體驗。

戶外展示空間：於2003年規劃完成並開放大眾參觀。日治時期庭園暨低海拔植物展示區：園區內除了日治時期所種植的麵包樹及印度黃檀等大樹外，並種植有薑科植物等原生植物。臺北濕地植物區：以串連不同深度之水池，栽植多種包括沉水性、挺水性、浮水性及浮葉性的水生植物，營造濕地生態的多樣性。蕨園：以筆筒樹林為自然遮陰，栽種包含野外罕見之珍貴稀有種類之百餘種蕨類。希望透過戶外展示空間讓參訪者認識植物與其生長環境的關係及生物的多樣性。