Одним з пріоритетних напрямків наукових досліджень саду, де сьогодні працюють 174 співробітника, в т.ч. 5 докторів та 25 кандидатів наук, є промислова ботаніка, в області якої ботанічний сад уже багато років є провідною установою серед країн Східної Європи.
За 40-річний період на площі 203 га створено унікальний колекційний 'фонд живих рослин, що нараховує близько 8 тис. Видів різновидів і форм, більше 2 тис. Сортів рослин. Унікальність колекції полягає в тому, що в ній зібрані рослині світової флори, пристосовані до умов посушливого степу і техногенного забруднення.
Основним багатством Донецького ботанічного саду є унікальні колекції живих рослин (близько 6 тис. Видів, сортів і форм), науковий гербарій (близько 100 тис. Гербарних аркушів) і колекція насіння світової флори (близько 50 тис. Зразків). Вступні випробування пройшли понад 130 тис. Колекційних зразків, отриманих з більш 500 ботанічних установ з усіх континентів.
Основою для створення експозицій є унікальні колекції нарцисів (110 сортів), геоцінтов (28 сортів), тюльпанів (250 сортів), ірисів (181 сорт), півоній (120 сортів), роз (160 сортів), лілії (78 сортів), лілійників (111 сортів), айстр (37 сортів), жоржин (161 сорт) бузку (140 сортів), хости (14 сортів), хризантем у відкритому грунті 45 сортів, в закритому -100.
Багаті колекції Саду роблять його квітучим з ранньої весни до пізньої осені. Приємно і корисно пройти по мальовничих алеях Саду - Еловой, Бузковий, Липовій, Орєховою, Березовій, Каштановій, модринових, Кленовій. Вони ділять його на прямокутні ділянки, на яких розташовуються основні експозиції: «Партер», Сад Шевченка, Сад мініатюр, Гібіскарій, Розарій, формовий-пальметні сад, Сад штамбових культур, експозиція ліан, Ковиловий степ, Сад Менделева, Сірінгарій, «Рідкісні, реліктові та ендемічні рослини Донбасу », демонстраційний сад.
Найбагатша колекція деревних і чагарникових порід - «Дендрарій» представляє собою унікальне зібрання рослин (понад 100 0 видів, форм і сортів). Тут зібрані численні види окремих родів дерев: дуба, клена, ясена, тополі, сосни, ялини, модрини, ялиці; чагарників: глід, спірея.
Тут зберігаються 32 види дерев, що відносяться до зникаючих на Землі: метасеквойя, тисі ягідний, гінкго дволопатеве, птерокарія, тюльпанове дерево і ін. Експозиціях «дендрарію» росте безліч представників різних куточків Земної кулі: Північної Америки, Європи і Центральної Азії, Далекого Сходу і Сибіру, передгір'їв Кавказу і напівпустель Середньої Азії. Назви деяких видів дерев і кущів відображають різноманітність їх географічного походження: аралія манчжурская, бархат амурський, дуб монгольський, модрина сибірська, липа кавказька, ясен китайську та інші.
Захоплюють своєю красою і буйством фарб лілії, іриси, канни, півонії, лілейники. Жодного відвідувача не залишать байдужим колекції квітково-декоративних рослин, які представлені як багаторічними, так і однорічними рослинами. Це колекції: хризантеми садової, трав і декоративних злаків, айстри китайської і жоржин. В оранжерейному комплексі зібрано колекцію тропічних і субтропічних рослин, яка відображає біологічне різноманіття світової флори.
Вона налічує понад 1200 видів, форм і різновидів. Колекція орієнтована на використання рослин для фітодизайну, в народному господарстві і має 5 основних експозицій: «Вологі тропіки та субтропіки Старого і Нового Світу», «Постійно вологі тропічні ліси», «Рослини аридних районів Землі». «Тропічні і субтропічні господарсько корисні рослини». Особливий інтерес представляє унікальне зібрання фікусів (40 видів) і окремі види: драцена - драконове дерево, саговник никне, філодендрон селлоу, Азаріна, мирт звичайний, мурайя іноземка. Представники тропічних лісів і жаркого клімату знаходяться в спеціальних оранжереях, де забезпечуються такі ж умови, як якщо б ці рослини були у себе на батьківщині. В оранжереях Донецького ботанічного саду можна побачити як росте бамбук, банан, драконове дерево, фінікова і віялова пальми, всілякі ліани і багато іншого. Є в Саду і «Лимонарій», де крім різноманітних цитрусових вирощують гібридні лимони, які в кілька разів більше звичайних.
Велике значення ботанічного саду в збагаченні флори культурних рослин. Так, в зелене будівництво Донбасу - фіторекультивації і сільське господарство регіону впроваджено понад 500 нових видів і сортів рослин.
Велику увагу приділяє Сад проблемам відновлення природної рослинності. У Саду розроблені методи відтворення степів, створені єдині в світі натурні моделі різних їх варіантів, в складі яких виростають більш 400 видів, багато з яких є рідкісними рослинами світу, виростають природно лише в рослинності південного сходу України, створена багатюща база даних про біорізноманіття рослинного світу, яка є основою для розробки природоохоронних заходів. Зокрема, на базі проведених досліджень, розроблено наукові обґрунтування на створення понад 100 форм інших квітково-декоративних рослин. Для створення стійких газонних покриттів (в природних умовах регіону) Садом проведені відбори п ерспектівних форм Овсянніков.