국립수목원은 1997년 정부 대책으로 수립된 광릉숲 보전대책의 성과 있는 추진을 위하여 1999년 5월 24일 임업연구원 중부임업시험장으로부터 독립하여 신설된 국내 최고의 산림생물종 연구기관으로 식물과 생태계에 대한 다양한 역할을 담당하고 있다. 국립수목원은 산림식물의 조사·수집·증식·보존, 산림생물표본의 수집·분류·제작 및 보관의 업무를 하고 있으며, 국내외 수목원 간 교류 협력 및 유용식물의 탐색 확보, 산림식물자원의 정보 등록 및 유출입 관리도 하고 있다. 또한, 산림에 대한 국민 교육 및 홍보와 광릉숲의 보존을 임무로 한다. 이를 위해 국가식물자원 관리시스템 구축, 식물보존센터 설치 운영, 전문수목원의 기능 보완 및 확대 조성, 국내외 유용식물의 탐색 확보, 산림생물표본관의 건립, 국민 교육 및 홍보 확대, 수목원 전문 도서관 설치, 광릉숲의 생태계 보전 관리업무에 주력하고 있다.
전문전시원의 경우 1984년부터 조성하기 시작하여 1987년에 완공되었으며, 식물의 특징이나 기능에 따라 24개의 전시원으로 구성되어 있다. 1987년 4월 5일 개관한 산림박물관은 우리나라 산림과 임업의 역사와 현황, 미래를 설명하는 각종 임업사료와 유물, 목제품 등 4,900점에 이르는 자료들이 전시되어 있다.
2003년도에 완공된 산림생물표본관 국내외 식물 및 곤충표본, 야생동물 표본, 식물종자 등 116만 점 이상이 체계적으로 저장 관리되고 있으며, 2008년도에 완공된 열대식물자원연구센터에는 족보가 있는 열대식물 2,703여 종이 식재되어 연구에 활용되고 있다.
이 밖에도 국립수목원에서는 국립수목원을 포함하여 전국의 관련 대학, 연구기관, 수목원, 식물원 등에서 보유하고 있는 산림생물표본이나 식물 정보를 DB화한 국가생물종지식정보시스템을 구축하여 관련 정보를 서비스하고 있으며, 국내 식물명의 표준화와 명명 등을 위하여 국가표준식물목록위원회를 한국식물분류학회와 공동으로 구성하여 운영하고 있다.
이처럼 국립수목원은 1920년대부터 시작된 우리나라 산림생물종 연구의 전통을 잇고 있으며, 특히 우리나라 산림생물 주권을 확보하는데 중요한 역할을 수행하고 있다. 또한, 조선 시대 세조대왕 능림으로 지정된 1468년 이래로 550여 년 이상 자연 그대로 보전되어 오고 있는 광릉숲을 보호·관리하고 있는 산림청 소속의 국립연구기관이다.