深圳在1978年建立经济特区之前，只是一座小渔村。在深圳市建立特区不久，市政府意识到需要建立一座现代化的植物园，满足市民、游客休憩，开展科研、科普活动之需。因此，1982年4月选点在福田区的莲花山，计划建设植物园，取名莲花山植物园，并随后进行了规划和筹建等工作。在正式建设工作开始前，1983年1月，市政府又专门邀请孙筱祥教授和中国科学院华南植物园的唐振辎工程师等10位专家组成规划设计小组再勘现场。该小组就植物园的选址进行专项考察与调研，发现莲花山现状条件难以符合建设风景植物园所需，而介于深圳水库东畔和梧桐山西北山麓的大坑塘（深圳林场内），地形起伏较大，也有丰富的微地形，山涧溪流终年不竭，为植物的生长提供了丰富生境，现存植物种类丰富，遂建议将植物园选址从莲花山改到大坑塘，并定名仙湖植物园。同年8月，深圳市政府批准了此方案，将园址从莲花山迁至深圳水库以东的深圳林场内，园名亦由深圳市莲花山植物园更名为深圳市仙湖植物园，正式启动现园区的规划和建设。



1983年9月，深圳市规划局确定仙湖植物园红线范围。孙筱祥教授提出将仙湖植物园建设成为风景植物园的设想，将仙湖植物园定性为“以风景旅游为主，科研、科普和生产相结合的风景植物园”。市政府聘请孟兆祯教授主持总体规划设计，白日新、黄金錡、杨赉丽等教授通力合作完成了总平面和主要景点的设计，何昉（现为全国工程勘察设计大师）等中青年教师和研究生参加了设计工作，并由何昉担任设计代表。该方案于1984年2月获得市规划局批准，正式建设工作于同年12月1日启动。历经数个寒暑，仙湖植物园于1988年5月1日正式对外开放。



到了上世纪九十年代中期，因应发展的需要，仙湖植物园也逐渐由一座专注园林景观、旅游休闲为主的植物园，向科学植物园发展，在科学研究、物种保育与科普教育等方面，引进高水平人才队伍，完善研究设施，加大资助力度，成果频出，逐渐奠定了仙湖植物园在业界的影响。

过去十年，仙湖植物园经历了两次重要的扩增：2011年深圳市园林科学研究所的并入和2017年罗湖区林果场的并入，既扩充了专业队伍，也增大了园区面积，为进一步的发展提供了新的机遇，新并入园区的规划正在进行中，建设工作也将逐步展开。

尤值得一提的是，2017年7月在深圳召开的“第十九届国际植物学大会”，仙湖植物园举全园之力，多方面参与会议的筹备及会务工作，园区也成为大会期间举办各类卫星会议和参观活动的重要场所，数千名国内外来宾参观仙湖植物园。2019年3月在仙湖植物园举办的“粤港澳大湾区•2019深圳花展”，展期10日，吸引了超过70万人次入园赏花，成为本地一大盛事。每年冬季的“深圳森林音乐会”也成为市民在森林中享受天籁之音的定期节目。