L'arboretum présente des arbres mais aussi des arbustes et des arbrisseaux originaires des cinq continents. Il couvre la moitié de la surface du Jardin et rassemble les essences par familles botaniques. On peut y découvrir 150 espèces de conifères, 350 de feuillus ainsi que près de 1500 arbustes et arbrisseaux.
L’arboretum est jalonné d’arbres centenaires plantés à sa création, à la fin du XIXème siècle. Pour les conifères, certains des cyprès chauves (Taxodium distichum) qui bordent l’étang se dressent à près de 35 m, talonnés de près par le Séquoia géant (Sequoiadendron giganteum), qui fut foudroyé au mois de mai 1985, et dont le tronc est marqué par une cicatrice toujours visible. Pour les feuillus, le Faux-noyer du Caucase (Pterocarya fraxinifolia) est le plus gros arbre du Jardin botanique avec une circonférence exceptionnelle de son tronc d'environ 5 m. Parmi les espèces remarquables par leur taille, citons encore le noyer lacinié (Carya laciniosa), le Katsura (Cercidiphyllum japonicum) et le Keaki du Japon (Zelkova serrata) qui forme à sa base une large cépée de trois troncs.
Des plantations sont réalisées chaque année afin de renouveller les collections et remplacer les quelques arbres abattus pour des raisons sanitaires. Dans le contexte de réchauffement climatique, les essences nouvellement installées sont, pour la plupart, choisies en fonction leur aptitude potentielle à résister à la sécheresse.
