Der Botanischen Garten ist ein Ort der Forschung. Dabei werden einerseits im Botanischen Garten selbst Forschungsprojekte durchgeführt, andererseits ist die Bereitstellung von Pflanzenmaterial, Infrastruktur und Expertise eine wichtige Basisaufgabe des Botanischen Gartens.
Der Botanische Garten unterstützt die Forschung vor allem in drei Schwerpunktbereichen. Dazu gehört die Forschung des Clusters für Biodiversität, Ökologie und Evolution der Fakultät Lebenswissenschaften, das Forschungsprogramm des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig und der Forschungsprofilbereich "Nachhaltige Systeme und Biodiversität".
Für die Forschung stellt der Garten sowohl die Pflanzen aus dem Bestand zur Verfügung als auch speziell für die Forschungszwecke benötigte Anzuchten.
Desweiteren unterstützt der der Botanische Garten mit Expertise, Personalkapazität und Logistik die Forschungsplattformen Leipziger Auwaldkran und das Forschungsarboretum Großpösna.