L'Orto botanico fu istituito nel 1820 da Maria Luisa di Borbone, nello spazio incuneato fra le mura medievali e quelle cinquecentesche. Nel 1845 dai cataloghi redatti da Benedetto Puccinelli risulta che erano coltivate già oltre 2000 specie.
L'Orto, nato sull'esempio dell'hortus conclusus monastico e del giardino di semplici coltivati con erbe officinali, alimentari e medicinali - assetto ancora oggi mantenuto nell'Hortus sanitatis - nel corso del XIX secolo fu modificato con la realizzazione del vasto arboreto, del laghetto e della montagnola. Questa situazione è ancora oggi visibile. Presso l'ingresso si trova la montagnola calcarea con vegetazione arbustiva e specie calciofile delle montagne lucchesi, dalle Alpi Apuane, all'Appennino, al Monte Pisano. La flora arborea esotica che l'attornia, con una metasequoia, una vecchia michelia ed altre specie interessanti, fra cui una palma di Livingstone, si continua con quella della vasta area pianeggiante dell'arboreto, dove si trovano splendidi esemplari ultracentenari come il monumentale cedro del Libano piantato nel 1822, una magnolia del 1830, un cipresso di Lawson, un bosso delle Baleari risalente al 1880 e numerose altre ancora fra conifere e latifoglie. All'estremità orientale dell'Orto si trova il laghetto, dominato da un grande cipresso calvo d'America dalle vistose pneumatofore e popolato da ninfee e nannufari. Ai bordi, piccoli stagli effimeri e torbiere ospitano numerose specie palustri toscane anche molto rare come l'ibisco palustre , la rosolida, la felce florida, accanto ad altre più comuni come l'iris palustre e la salcerella. Lungo i perimetri dell'Orto, al piede delle mura, una ricca collezione di piante acidofile, Ericacee e Theacee, fra cui splendidi rododendri e azalee e di camelie.
L'Hortus sanitatis, in un angolo del quale troneggia un vecchio cinnamomo, sono conservate centinaia di specie alimentari fra quelle indicate dalla FAO come maggiormente utilizzate a livello mondiale. Questa collezione da un lato si completa con la collezione di varietà di vite della Lucchesia e dall'altro con altre specie alimentari di climi caldi, come il caffè, il banano e molte altre conservate nelle serre accanto ad agrumi, cicadee, palme ecc.
Il museo Bicchi annesso all'Orto conserva vari erbari storici, raccolte di illustrazioni d'epoca, una xiloteca, una collezione di modelli di frutti in gesso e una di fossili della flora verrucana del Monte Pisano.
