2004年初，上海市委、市政府决策建设上海辰山植物园。

2005年8月29日，上海市政府与中国科学院签订了《合作共建上海辰山植物园工作协议书》。

2006年1月26日，经上海市机构编制委员会研究决定，同意建立事业单位上海辰山植物园（筹），人员编制初步核定为50名；同年2月14日，市绿化局向市政府专题汇报辰山植物园方案，市政府原则同意由德国瓦伦丁规划设计组合和上海市园林设计院组成设计联合体，进行方案深化设计。

2007年1月10日，上海市绿化管理局成立上海辰山植物园工程建设指挥部，夏颖彪、方岩分别担任项目总指挥和常务副指挥，胡永红任项目总工程师，全面负责工程建设。

2007年3月15日，上海市建设和交通委员会同意上海辰山植物园一期工程（技术部分）的初步设计。

2007年3月31日，上海辰山植物园正式开工。

2010年4月，上海辰山植物园初步建成并对外开放。

2010年国庆期间，上海植物园展览温室的热带植物馆对公众试开放。

2022年11月1日，加入长三角植物园科普联盟。

2023年1月，上海园林行业传来喜讯：由上海辰山植物园提交国家林业和草原局的两个绣球新品种紫之梦、梦幻星空正式获得植物新品种保护授权，这是上海辰山植物园首次获得绣球国家植物新品种保护权。

2025年3月8日，千米河津樱大道进入最佳观赏期的辰山植物园，一天游客量超过4万人次。