随着中华人民共和国的成立,为植物园带来历史性转机。1950年,中国科学院植物分类研究所接管植物园。

1954年2月,原“总理陵园纪念植物园”划归中国科学院,定名为“中国科学院南京中山植物园”,实行“园所合一”管理体制——从此,植物园由纪念性园林转型为国家级科研机构。
同年,由著名建筑大师杨廷宝设计的综合办公楼落成。红墙青瓦、飞檐翘角,至今矗立于北园,成为历史与科学交融的象征。
1960年,在植物园基础上成立中国科学院南京植物研究所,科研人员迅速增至300余人。1970年,划归江苏省管理,更名为“江苏省植物研究所(南京中山植物园)”。1993年起,实行江苏省与中国科学院双重领导体制,定名沿用至今:“江苏省中国科学院植物研究所(南京中山植物园)”。
1999年,占地广阔、功能完善的南园启动建设,依景观与功能划分为热带植物宫、禾草园、盲人植物园、红枫岗、盆景园、蔷薇园、药物园、松柏园、树木园、植物分类系统园等27个专类园区。
历经几代人的不懈努力,南京中山植物园现已收集保存活植物约12000种(含品种),建成专类园27个,馆藏植物标本逾80万份。其中不乏珍品:最早的标本采自1816年的美国,距今已210年;最早的中国本土标本由法国传教士于1867年在华东地区采集,具有极高历史与科学价值。
如今,它不仅是我国华东地区重要的植物资源保育与研究中心,也是面向公众开放的科普教育基地和生态休闲空间。每一片叶子、每一株古木,都承载着从纪念孙中山先生出发,走向科学强国之路的厚重记忆。