1910 kaufte die Stadt Bielefeld von der Familie Dreckshage das Wald- und Wiesengelände am Südhang des Kahlenberges. Auf Vorschlag des damaligen Bielefelder Gartenbaudirektors Paul Meyerkamp sollte das Gelände eine Erweiterung für den Johannisfriedhof werden.
Dann aber entstand der Sennefriedhof, und so konnte 1912 ein städtischer Garten, nach einem Plan von Meyerkamp, entstehen. Zwei Punkte waren wichtig: Der Garten sollte Anschauungsmaterial für den naturkundlichen Unterricht der Schulen liefern und Bürger*innen als Schau- und Lehrgarten dienen.

Meyerkamp wollte einen botanischen Garten für Alle, mit heimischen und fremdländischen Pflanzen, in den die Menschen nicht nur zum Lernen, sondern auch zur Erholung kommen. Deshalb wollte er die Anlage auch nicht umzäunen, sie sollte öffentlich sein und der Allgemeinheit gehören. So ist der Garten bis heute jederzeit geöffnet und zugänglich.

Mittelpunkt des Botanischen Gartens war zu allen Zeiten das aus dem Jahre 1823 stammende Fachwerkhaus, das zusammen mit dem Gelände von der Familie Dreckshage erworben wurde und in dem die jeweiligen Leiter des Botanischen Gartens wohnten.

Die erste große Erweiterung des Gartens war bereits 1914 bis 1915, es entstand das Alpinum mit etwa 500 verschiedenen Pflanzenarten. Von 1925 bis 1927 wurde die Gartenfläche um weitere 2,5 Hektar nach Westen in den Wald hinein vergrößert, wo sich im Laufe der Zeit prächtige Rhododendronbestände entwickelten. Gleichzeitig entstanden ein Seerosenbecken und das Rosarium. 
 

Der Garten hat sich im Laufe der Jahre verändert: Der kleine Teich vor dem Bauernhaus machte Sommerblumen und Staudenpflanzungen Platz. Das alte Rosenparterre fiel dem Krieg zum Opfer. An seine Stelle traten Anfang der 50er Jahre Beete mit Sommerblumen und eine Rasenfläche.

Zum 40. Geburtstag des Gartens (1952) gab es bereits wieder rund 3.000 verschiedene Pflanzenarten. Besonders beliebt waren vor allem zur Blütezeit die Rhododendron- und Azaleenbestände, das Alpinum, das Seerosenbecken und seltenere Pflanzen wie z.B. Gunnera manicata - Nesselschirm oder Sequoia gigantea - Mammutbaum. Auch die heimische Pflanzenwelt bekam einen Platz im Botanischen Garten. 1957 wurden auf der nördlichen Waldseite unter anderem Heckenkirsche, Seidelbast, Leberblümchen, Anemone, Bärlauch, Lerchensporn angepflanzt. 
1961 wurden die Flächen der heimischen Nutz-, Gift- und Arzneipflanzen verkleinert. Auf den freigewordenen Flächen entstand ein Heidegarten mit typischen Pflanzen wie Wacholder, Besenheide, Birke, Zwergkiefer und Trockenstauden. 

Zum 50-jährigen Bestehen erhielt der Botanische Garten 1962 im Bereich des Seerosenbeckens eine Rasenfläche mit Terrasse und Pergola, berankt mit vielfältigen Schling- und Kletterpflanzen. Gleichzeitig wurde auch das Wasserbecken vergrößert und restauriert. 

Im Frühjahr und Sommer 1987, zum 75. Jubiläum, wurde auf der Terrasse oberhalb des Haupteingangs eine geologische Erdzeituhr eingefügt, die geologische Zeitabschnitte in unsere tägliche Zeitrechnung überträgt. Natursteine und Pflanzen aus den jeweiligen Zeitaltern stellen den Bezug zur erdgeschichtlichen Entwicklung dar.

Der Botanische Garten ist über die Stadt Bielefeld hinaus als Kleinod der Gartenkultur bekannt und beliebt. Die Verbundenheit mit ihrem Botanischen Garten zeigten die Bielefelder Bürger*innen 1998 mit der Gründung des Vereins "Freunde des Botanischen Gartens in Bielefeld e.V.".  Der Verein hat sich die Aufgabe gestellt, den Botanischen Garten als herausragendes Kulturgut zu fördern, für künftige Generationen zu erhalten und das Gartenerleben in seiner Vielfalt auch dem Stadtmenschen zu ermöglichen.