Miejski Ogród Botaniczny jest położony w śródmieściu Zabrza. Zgodnie z podziałem Polski na strefy klimatyczne obszar Wyżyny Śląskiej znajduje się w strefie klimatycznej zachodniej i charakteryzuje się klimatem umiarkowanie ciepłym o wpływach oceanicznych, stwarzającym dogodne warunki dla wegetacji roślin.
Inicjatorem i projektantem Botanicznego Centralnego Ogrodu Szkolnego (Botanischer Zentralschulgarten) w Zabrzu był pochodzący z Halle dyplomowany inspektor budownictwa ogrodniczego Fritz Berckling, absolwent cenionej Szkoły Ogrodniczej (Gartenbauschule) w Berlinie-Dahlem. Został on zatrudniony przez magistrat w 1928 roku na stanowisku dyrektora Miejskiego Zarządu Zieleni w celu współtworzenia nowego wizerunku Zabrza, które w zamierzeniach ówczesnych władz miało uzyskać wielkomiejski charakter, jako miasto fabryk w zieleni (Werkstadt im Grünen). W tym celu zaplanowano z rozmachem przebudowę mocno zaniedbanego urbanistycznie Zabrza, lecz z powodu Wielkiego Kryzysu lat 1929–1933 realizacja tych planów została odłożona na przyszłość i już w zmodyfikowanej formie była kontynuowana przez narodowych socjalistów. Fritz Berckling jest twórcą wielu istniejących dziś w Zabrzu nowoczesnych założeń wielkomiejskiej zieleni. Jego dziełem jest Park im. Poległych Bohaterów (Skagerrak-Park), przebudowa Lasu Makoszowskiego w Park im. Powstańców Śląskich (Guidowald), Kąpielisko Leśne Maciejów (Waldbad Mathesdorf), zieleń kompleksu sportowego przy ul. Roosevelta (Adolf Hitler-Kampfbahn), założenia zieleni wielu zabrzańskich placów (m.in. pl. Traugutta przed klasztorem oo. Kamilianów, pl. Pieruszki przy kościele św. Anny), szereg placów zabaw dla dzieci, zieleń nowych osiedli mieszkaniowych i zieleń przyszkolna oraz aleje drzew wzdłuż nowo projektowanych szerokich ulic.
Miejscem, które wybrano pod założenie ogrodu botanicznego był teren należący do jednej z dwóch cegielni miejskich przy ówczesnej ul. Michała (Michaelstrasse, obecnie ul. J. Piłsudskiego), znajdującym się obok oddanego do użytku w 1933 roku wielkiego kompleksu sportowego ze stadionem piłkarskim. Projekt Centralnego Ogrodu Szkolnego Fritz Berckling sporządził 14 października 1936 roku. W założeniach miał to być wzorcowy ogród botaniczny niemieckiej części Górnego Śląska. Docelowo miano w nim pokazywać publiczności kompletny zestaw roślin dziko rosnących na terenie ówczesnych Niemiec, dzięki czemu mógł on stanowić zaplecze dydaktyczne i badawcze dla wyższych uczelni Górnego Śląska. Realizacja tego ambitnego planu była możliwa dzięki wsparciu władz miasta, zwłaszcza Nadburmistrza Zabrza Maxa Filluscha, który dążył do rozbudowy i unowocześnienia tego najbardziej ludnego wówczas miasta Górnego Śląska.
Ogród na planie nieregularnego czworoboku o powierzchni około 3 ha zaprojektowano w narożniku ul. Michała (po wojnie Słowiańska, obecnie Piłsudskiego) i towarowej linii kolejowej Nowy Bytom – Gliwice Sośnica (dziś zlikwidowana). Wejście do ogrodu w formie bramy z murowanymi ościeżami wiodło z obecnej ul. J. Piłsudskiego. Całość założenia podzielono na cztery części: leśno-edukacyjną (pn.-zach.), systematyczno-użytkową 8 (pn.-wsch.), krajobrazową (pd.-wsch) i gospodarczo-ogrodniczą (pd.-zach). Zewnętrzny pas ogrodu – wzdłuż ogrodzenia – zajmowały grupy zadrzewień i zakrzewień: bór świerkowy, krzewy parkowe, krzewy liściaste, krzewy iglaste, buczyna, dąbrowa, las górski i las mieszany z charakterystycznymi okazami roślin podszytu i runa. W części edukacyjnej zaprojektowano plac szkolno-lekcyjny z wiatą i pergolą oraz ogród ćwiczebny, otoczone łąką pośród boru świerkowego i boru sosnowego.
Część systematyczno-użytkowa objęła rabaty z roślinami w układzie systematycznym według rodzin, rośliny użytkowe i ogródek kwietny. W części krajobrazowej (typu angielskiego) dominował staw z roślinami wodnymi i nadbrzeżnymi, a wokół nich stworzono bagno i wilgotną łąkę, olszynę oraz alpinarium. Każde z prezentowanych siedlisk obfitowało w typowe dla niego gatunki roślin.
Ostatnia część, gospodarcza, objęła zabudowania dyrekcji, szklarnie, toalety, kompostownię oraz inspekty. Komunikację między częściami umożliwiała sieć ścieżek spacerowych, z prowadzącą od wejścia do ogrodu aleją topolowo-platanową, kończącą się placem z fontanną. Bezpośrednią realizacją projektu Ogrodu Botanicznego zajął się mistrz ogrodniczy Kotlorz. Działkę pod ogród wydzielono ostatecznie we wrześniu 1937 roku, po czym przystąpiono do rozplanowywania założenia oraz sadzenia drzew i krzewów. Większość prac ogrodniczych przeprowadzono w szybkim tempie w 1938 roku tak, że pod koniec czerwca ogród otwarto dla publiczności. Nie zdołano jednak oddać do użytku większości urządzeń w części gospodarczej. Tam prace budowlane rozpoczęto na wiosnę 1938 roku od wzniesienia budynku administracyjnego, późną jesienią zbudowano pergolę i rozpoczęto budowę zespołu szklarni i budynku toalet.
Szklarnię zaprojektowano jako czteroczęściowy budynek, złożony z palmiarni (długość 16,2 m, szerokość 7,3 m, wysokość 5,1 m), dwóch bliźniaczych szklarni: gorącej i chłodnej (długość 11,9 m, szerokość 3,1 m, wysokość 2,5 m) oraz murowanej części gospodarczej z pracownią, kotłownią (z piecami w piwnicy) i magazynem koksu. Budowę szklarni i toalet ukończono we wrześniu 1939 roku. W szklarniach możliwa była uprawa większości roślin tropikalnych i śródziemnomorskich. Zakupiono typowy zestaw roślin szklarniowych, tworząc zręby nieznanej dotąd w Zabrzu kolekcji. W palmiarni zachwycały zwiedzających m.in. ogromny bananowiec i rozłożyste palmy.
Wszystkie rośliny rosnące w ogrodzie zostały zaopatrzone w tabliczki informujące o ich nazwie i przynależności systematycznej. Rozwój ogrodu przerwały trwające od 1942 roku niekorzystne dla Niemiec wydarzenia wojenne i związane z tym cięcia w wydatkach budżetowych miasta. Mimo to do końca wojny ogród był udostępniany publiczności. Niektóre przekazy głoszą jednak, że pod koniec wojny zaczęto wykorzystywać ogród i szklarnie do uprawy warzyw, których brakowało na lokalnym rynku.
Po zakończeniu działań wojennych, w marcu 1945 roku Ogród Botaniczny przejęły Plantacje Miejskie. Połowa drzewostanu była kompletnie zniszczona, a teren ogrodu zdewastowany. Odbudowa zniszczeń objęła głównie roślinność i szklarnie. Ogólny układ ogrodu pozostał w zasadzie niezmieniony. W latach 1947–1953 rozbudowano założenie od strony północnej, przyłączając fragment terenu o powierzchni 2 ha po zlikwidowanej cegielni, gdzie urządzono rabaty i ścieżki spacerowe. Poddano też rozbudowie palmiarnię o prostopadły aneks.
Od 1950 roku Ogród Botaniczny podlegał Miejskiemu Przedsiębiorstwu Ogrodniczemu, przekształconemu w 1953 roku w Zarząd Zieleni Miejskiej, a w następnych latach został włączony do Miejskiego Przedsiębiorstwa Gospodarki Komunalnej. W 1957 roku sporządzono pierwszy po II wojnie światowej wykaz roślin naczyniowych rosnących w ogrodzie. Na jego podstawie oznakowano drzewa i krzewy tabliczkami informującymi o nazwie łacińskiej i polskiej, przynależności systematycznej i zasięgu geograficznym.
Kolejne poszerzenie obszaru Ogrodu nastąpiło w 1960 roku. Wówczas to przyłączono kolejny fragment nieużytków pocegielnianych o powierzchni 1 ha, przylegający do części gospodarczej od południowego-zachodu. Obejmował on gliniankę pozostałą po wyrobisku cegielni, którą przekształcono w staw (największy z trzech). Odtąd Miejski Ogród Botaniczny zajmował powierzchnię ponad 6 ha. W części krajobrazowej starego ogrodu bagno z wilgotną łąką przekształcono w drugi staw oraz oczko wodne z niewielką wysepką. W miejsce placu szkolnego, na którym odbywały się lekcje, urządzono plac zabaw dla dzieci. W 1984 roku wymieniono część ogrodzenia wzdłuż ulic J. Piłsudskiego i Botanicznej, zaś w roku 1993 zmodernizowano ogrzewanie szklarni, zastępując przedwojenne piece koksowo-węglowe piecem gazowym.
Od 1 lipca 1997 roku Miejski Ogród Botaniczny został wyodrębniony z Miejskiego Przedsiębiorstwa Gospodarki Komunalnej i usamodzielnił się jako zakład budżetowy z własnym statutem, a od 1 stycznia 2000 roku jest miejską jednostką budżetową (Uchwała Rady Miejskiej z listopada 1999 roku). Od 1998 roku prowadzi się w Ogrodzie stałą sprzedaż roślin szklarniowych. W styczniu 2006 roku Miejski Ogród Botaniczny uzyskał od Ministerstwa Środowiska status prawny ogrodu botanicznego, jako placówki naukowo-badawczej.
W chwili obecnej po pomiarach geodezyjnych i wytyczeniu na nowo granic, ogród ma kształt nieregularnego wieloboku, który zajmuje powierzchnię 6,36 ha. Główne wejście do Ogrodu (dla gości) znajduje się przy ulicy Piłsudskiego.
