Научный коллектив отдела (8 сотрудников, из них 1 доктор и 5 кандидатов биологических наук) проводит исследования биоразнообразия растений природной флоры, их систематики, распространения, формирования растительных сообществ, размножения, биоэкологических особенностей развития в природных условиях и при выращивании в ботаническом саду, научных основ заповедной охраны растений, реинтродукции редких и исчезающих видов, формирования системы особо охраняемых природных территорий, разработки экологической сети, подготовки Красной и Зеленой книг.

Исследование дикорастущих растений проводится как во время экспедиций, так и на экспериментальных участках Сада. Полувековой опыт интродукционного испытания растений природной флоры Донбасса дает богатый материал для их использования в восстановлении нарушенного растительного покрова. Коллекции активно используются в образовательном процессе.

Знания о флоре и растительности, полученные в результате исследований, стали основой баз данных по флоре (2070 видов) и растительности (2920 ассоциаций) Донбасса. Научный Гербарий (DNZ) насчитывает свыше 125 тысяч гербарных образцов, из которых более 105 тысяч собраны в Донбассе и представляют 85% видового состава его флоры. В Гербарии также хранятся образцы растений, собранные в других регионах. Имеется коллекция семян мировой флоры – более 54 тысяч образцов. Исследование гербарных материалов и наблюдения в природе во время экспедиций и на экспериментальных участках позволили ученым Сада описать 19 новых для науки видов растений.

Коллекции и тематические экспозиции живых растений природной флоры представляют собой единый комплекс, отражающий богатство растительного мира степной зоны Северо-Восточного Причерноморья. Общий коллекционный фонд – 830 видов, интродуцированных семенами или живыми особями растений, собранных во время экспедиций из более чем 2300 природных популяций. Здесь представлено 37% флоры Донбасса, 82% степных видов этого региона, в том числе 205 редких, эндемичных, реликтовых и исчезающих видов растений, из которых 90 – подлежат особой охране на государственном уровне, 32 – на международном.

Основными составляющими коллекционно-экспозиционного комплекса являются: экспозиция «Ковыли» – 12 видов из флоры Донбасса и 20 – из других регионов мира; коллекция степных и опушечных растений – 115 видов; экспозиция «Редкие, эндемичные и реликтовые растения Донбасса» – 288 видов; уникальная экспозиция «Степи Донбасса» – искусственно воссозданная разнотравно-типчаково-ковыльная степь на площади 8,5 га – 420 видов и десятки растительных сообществ, аналоги которых можно увидеть только в заповедниках; участки «Эдафических вариантов степей Донбасса» – растительные сообщества на обнажениях гранита, мела, песков; экспозиция «Кустарниковая степь»; коллекция «Декоративные растения Донбасса» – 130 видов; реинтродукционный питомник.