Navnet Tøyen er avledet av det norrøne "Todvin", som man mener betyr "gjødslet eng". Navnet vitner om fruktbar jord og at det var bosetning her allerede før vikingtiden. I middelalderen tilhørte gården Nonneseter kloster. Kong Frederik VI kjøpte gården som en aktuell tomt for Universitetet i Oslo i 1812, men universitetet ble bygget ved Karl Johans gate. Istedet ble Botanisk hage lagt til Tøyen hovedgård.
I 1814 ble Christen Smith (1775-1816) oppnevnt til professor i botanikk og økonomi ved Norges nyopprettede universitet, ”Det Kongelige Frederiks Universitet”. Med stillingen fulgte et ansvar for å bygge opp og bestyre en botanisk hage i Christiania. Smith fikk aldri anledning til å sette sitt preg på hagen, da han døde under en ekspedisjon i Kongo allerede i 1816. Lenge hadde Botanisk hage et levende minne om hagens første bestyrer, en kanaripalme dyrket fram fra frø han sendte hjem fra en botanisk oppdagelsesreise til Kanariøyene i 1815. Palmen døde i år 2000.
I 1814 startet arbeidet med å anlegge den botaniske hagen. Gartner Johan Siebke ble hentet fra den botaniske hagen i København for å lede dette arbeidet. Siebke var inspirert av den engelske landskapsstilen som var rådende innenfor norsk hagekunst fra slutten av 1700-tallet. Planen nedenfor er fra 1823 og viser svungne veier innenfor en stram, oval ramme av sammenhengende trebelter. Hovedgårdens gamle atkomst gjennom alleen fra sør ble beholdt. Planen ble i hovedsak gjennomført og kan fortsatt anes i anlegget, selv om en rekke endringer har kommet til. Området har eksempelvis blitt utvidet fra 75 daa til 150 daa.
Dagens samlinger omfatter anslagsvis 45 000 planter av ca. 5 500 ulike arter og sorter. Plantesamlingene brukes i undervisning, formidling og forskning. Hagen bevarer truete og sårbare norske planter i frøbank og holder i tillegg levende bestander av noen utvalgte arter fra Oslo-området. Hagens plantesamlinger er fordelt på hovedavdelingene Arboretet, Systematisk hage, Fjellhagen, Urtehagen, Oldemors hage, Dufthagen og Osloryggen samt veksthusene Victoriahuset og Palmehuset. Samlingene er registrert i en database som også er tilgjengelig for publikum på internett.