O Museu Nacional foi fundado em 1818, mas somente em 1842 foi pela primeira vez subdividido em quatro seções para melhorar a organização, classificação e conservação de seu acervo.

A 2ª. seção chamava-se Botânica, Agricultura e Artes Mecânicas. O primeiro diretor desta seção foi Ludwig Riedel um dos primeiros botânicos que fez muitas expedições científicas para coleta de exemplares da flora brasileira, dentre as quais se destaca a viagem a Mato Grosso junto com Langsdorff em 1826-1828.

Outro diretor da seção foi Ladislau de Souza Mello Neto que honrou o país no estrangeiro com suas brilhantes conferências na Sociedade Botânica da França. Também, graças à sua iniciativa, o Museu Nacional publicou uma edição completa do texto da Flora Fluminense de José Mariano da Conceição Vellozo.

A seção contribuiu muito com o envio de material botânico para Martius fazer a Flora Brasiliensis. Em 1876 a 2ª. seção passou a chamar-se Botânica Geral e Aplicada e Paleontologia Vegetal. Neste período cursos públicos e gratuitos começaram a ser ministrados e publicações científicas de trabalhos produzidos na seção contribuíram para a recém-criada revista científica Arquivos do Museu Nacional.

A partir de 25 de abril de 1888 a seção passa a ser chamada apenas de Botânica. Nesta época as atividades da seção estavam voltadas para o crescimento e manutenção do herbário. Muitos botânicos renomados como Guilherme Schwacke, Glaziou, Ernst Ule, Hemendorff, Dusén e Frizt Müller, que tinham o cargo de naturalistas viajantes, contribuíram com suas coletas feitas em expedições científicas.

 Em 1912 assumiu a chefia da seção o botânico Alberto José de Sampaio, autor de obras de grande valor científico tais como o Mapa Fitogeográfico do Brasil, o livro Fitogeografia do Brasil e o Dicionário Ilustrado das plantas úteis do Brasil. Neste período o herbário passou por uma grande reorganização e Frederico Carlos Hoehne, João Geraldo Kuhlmann e Adolpho Ducke auxiliaram no trabalho de identificação do material.

 A seção de Botânica ocupou-se com o ensino da botânica nas escolas doando coleções didáticas com exemplares de frutos, sementes, madeiras, etc. Em 1920, a seção ofereceu à Rainha Elizabeth da Inglaterra uma coleção de 30 exemplares de caules anômalos. Em 1941 o Museu Nacional deixa de estar subordinado ao Ministério da Agricultura e passa a subordinar-se ao ministério da Educação e Saúde. Nesta reforma as seções do Museu Nacional passaram a denominarem-se divisões e o botânico Luiz Emygdio de Mello Filho foi designado chefe da divisão de Botânica e fez parte do quadro de professores cuja divisão passou a ser denominada Departamento de Botânica.

Fernando Segadas Vianna juntamente com as naturalistas auxiliares Leda Dau, Wilma Teixeira Ormond e Jadiehl Loredo Junior, criaram o serviço de Ecologia. Os estudos realizados pela Ecologia Vegetal visavam o conhecimento da vegetação e das condições ambientais, o levantamento de recursos naturais renováveis, seu controle e utilização, bem como, o treinamento de ecologistas. Nesta mesma época iniciou-se o Curso de Botânica Sistemática, sob orientação do Professor Alberto Castellanos, que visava preparar jovens botânicos que futuramente preencheriam os quadros de pesquisadores do nosso Estado.

Atualmente, o Departamento de Botânica conta com quinze docentes (dois deles aposentados e um em afastamento), quatro biólogos, 11 técnicos, um jardineiro e vários estudantes em diferentes níveis, desde a iniciação científica de ensino médio ao doutorado. Está sob responsabilidade do Departamento de Botânica o Herbário do Museu Nacional, o mais antigo do Brasil e a área verde do Horto Botânico do Museu Nacional, com cerca de 330 espécies vegetais. O Departamento também atua em diversos projetos de extensão.