Mit Gründung der neuen Residenzstadt Karlsruhe am 17. Juni 1715 inmitten des Hardtwaldes wurde nicht nur eine neue Stadt geschaffen, sondern auch die jahrhundertealte gärtnerische Tradition am badischen Hofe zu neuem Glanz geführt. Der „hochfürstliche Lustgarten“ des Schlosserbauers Markgraf Karl Wilhelm von Baden-Durlach (1679-1738), umfasste die zwischen den beiden Seitenflügeln des Schlosses gelegenen prachtvollen Orangerien, Gärten mit Blumen- und Glashäusern, Volieren und Grotten.
Auch Karl Wilhelms Nachfolger, sein Enkel Karl Friedrich, setzte die gärtnerische Tradition fort. Unterstützt wurde er dabei von seiner Frau Caroline Luise, die unter anderem mit dem berühmten schwedischen Naturforscher Carl von Linné in Verbindung stand.
An die Spitze der Gartenverwaltung berief der Markgraf sogenannte Garteninspektoren, denen die Hofgärtner unterstellt wurden. So stand zum Beispiel 1764 bis 1769 der Botaniker Dr. Joseph Gottlieb Kölreuter aus St. Petersburg an der Spitze dieses ausgeklügelten Systems. Daneben war er Rat und Professor der Naturgeschichte in Karlsruhe. Er hatte den Auftrag, sämtliche Gewächse der Schlossgärtnerei zu bestimmen und nach dem Linnéschen System zu ordnen. 1784 übernahm Hofrat Professor Carl Christian Gmelin die Leitung des Botanischen Gartens. An seine Seite trat der Hofgärtner Michael Schweyckert. Beide brachten von zahlreichen Reisen Pflanzen und Samen mit nach Karlsruhe und vergrößerten somit den Pflanzenbestand um ein Vielfaches.
Um 1800 ließ Markgraf Karl Friedrich den Lustgarten vor dem Schloss und den Schlosspark im englischen Stil umwandeln. Damit wurde auch die Entscheidung getroffen, auf dem damaligen Holzplatz westlich des Schlosses einen neuen Botanischen Garten anzulegen. Die bestehenden Gebäude, Zirkelorangerie und Gewächshäuser wurden verkauft und der Erlös für den Bau von neuen Pflanzenhäusern verwendet.
Nach Plänen von Friedrich Weinbrenner verwirklichte der Großherzog ab 1808 einen ansehnlichen Garten mit Orangerie, Warm-, Kalt- und Anzuchthäusern sowie einem entsprechenden Freiland. Da die Gewächshäuser noch aus Holz erbaut worden waren, waren sie in der Regierungszeit seines Nachfolgers, Großherzog Friedrich I. (1826-1907), bereits stark beschädigt. Dieser realisierte daher in den 1850er-Jahren eine komplette Umgestaltung des Gartens und den Neubau sämtlicher Pflanzenhäuser. Die Bauten wurden nach Entwürfen des Baudirektors Heinrich Hübsch ausgeführt. Der Botanische Garten bestand nun unter anderem aus der ca. 87 Meter langen Orangerie, dem Kamelien- und Blumenhaus, dem Palmenhaus, dem Wasserpflanzenhaus und dem Warmhaus. Ein Pavillon mit Durchgang zum Schlossgarten, eine bogenförmige erbaute Galerie mit davor liegendem Wintergarten und ein „Kaphaus“ schlossen sich an. Die tragenden Teile der Gewächshäuser wurden zwischen 1863 und 1871 durch eine Konstruktion aus dem damals ganz modernen Werkstoff Gusseisen ersetzt.
Eine Blütezeit erlebte der Botanische Garten unter dem Garteninspektor Leopold Graebener. Diesem gelangen auch Kreuzungen von Pflanzen, wie zum Beispiel der Yucca x karlsruhensis. Deren Nachkommen und weitere alte Gehölze aus dieser Zeit können noch heute im Botanischen Garten betrachtet werden.
Nach dem Ersten Weltkrieg wurde die Schlossgärtnerei weitgehend abgebaut. Viele Pflanzen wanderten entweder auf den Kompost, wurden verkauft oder auf die Insel Mainau, in den Schlossgarten von Schwetzingen oder in die Botanischen Gärten von Heidelberg und Freiburg gebracht. Die Gewächshäuser wurden dem Lehrbetrieb der Hochschule übergeben. Diese bestückte die Pflanzenhäuser wieder mit Gewächsen und pflegten das Freiland. Der gesamte Garten war für die Bevölkerung geöffnet.
Durch Bomben und Brände im Zweiten Weltkrieg wurde die gesamte Anlage stark beschädigt. 1948 übernahm Gartenmeister Anton Kutscher die Leitung des Botanischen Gartens und begann, das Freiland neu anzulegen. Doch der ehemals wissenschaftliche Botanische Garten sollte nun zu einer landschaftlichen und gärtnerisch gepflegten Anlage werden, als die sie sich auch heute noch präsentiert: große ruhige Rasenflächen mit zahlreichen alten Laub- und Nadelgehölzen, seltenen Bäumen und Sträuchern, in deren Mittelpunkt zwei runde Wasserbecken mit üppigen Seerosen, großen Karpfen und Goldfischen.
Nach und nach wurden auch die Gebäude wieder aufgebaut. Es entstanden Schauhäuser mit Pflanzen, die teils durch ihre Seltenheit, teils durch Wuchs, Farbenpracht oder ihr Alter den Pflanzenliebhaber begeistern.
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