Arboretum je del vrta, kjer so predstavljeni predvsem različni predstavniki dreves in grmovnic. Večji del arboretuma je v najstarejšem delu vrta.

Arboretum v Botaničnem vrtu Univerze v Ljubljani predstavlja njegov najstarejši del. Njegova podoba je bila nekoč povsem drugačna. Površina je merila komaj 33 arov. Na nekdanji njivi, kjer so gojili krompir za potrebe vojske je Hladnik leta 1810 začel zasajati botanični vrt. Na samo otvoritev vrta 11. julija 1810 je prišel prvi in glavni guverner Ilirskih provinc maršal Auguste Marmont. Po nekaterih virih naj bi tedaj zasadil dve ali celo osem dreves. Do današnjih dni tam še vedno raste lipa, ki je tudi najmogočnejše drevo v vrtu. Druga drevesa, ki jih je zasadil maršal Marmont naj bi v teh 200 letih že padla. Med njimi naj bi bil zadnji brest, ki je omagal leta 1942.

Kljub temu pa je tukaj zanesljivo še kar nekaj starih dreves in grmov. Med njimi je tak rumeni dren, ki je naveden v spisku rastlin iz leta 1812, kjer je navedenih že 766 rastlinskih vrst. Podoba današnjega arboretuma je bila tedaj povsem drugačna: tukaj so bile gredice, kar kažeta zemljevida iz leta 1811 in leta 1853. Tudi najstarejši posnetek iz leta 1870 na tem mestu daje še povsem drugo podobo. Gre za skupek gričkov z zelo gosto zasaditvijo različni rastlin. Ker so v ta del že od začetka zasajali tudi drevesne in grmovne vrste, so seveda te z leti rastle in se debelile, ker je bilo spodaj več sence so spodnje rastline počasi izginjale. Vendar so vse do leta 1945 ta del vrta izredno intenzivno obdelovali, kar pomeni da je bilo tukaj mnogo rastlin. Kako so morale biti te na gosto zasajene in seveda z zelo malo primerki posamezne vrste pove podatek, da je Paulin na tem majhnem delu vrta (76 arov) imel zasajenih preko 6000 različnih rastlinskih vrst seveda kljub vsemu pretežno zelnatih rastlin. Pa vendar je že tedaj imel zelo bogato sestavo tudi iglavcev, ker je te imel še posebej rad.

Šele po letu 1945 se je vrt razširil na 2,3 ha in s to sprostitvijo se je ta najstarejši del osvobodil teh številnih skalnatih gričkov, z veliko količino rastlin. Paulin jih navaja kar 27. V tem najstarejšem delu so tako začele prevladovati drevesne in grmovne vrste, ki pa so zaradi svoje gostote kmalu zrinile številen druge tukaj še rastoče vrste v podrasti. Kljub temu pa so tukaj ostale številne zgodnje in srednje pomladanske vrste. Drevesni del vrta ali arboretum ima tukaj kljub vsemu še kar nekaj ostankov iz tistih prvotnih časov. Zelo verjetno je to vodno kolo z tedaj do 17 m globokim vodnjakom, ki ima danes še vedno globino okrog 14 m. Potem so tukaj kasnejši betonski bazeni, ki jih je najverjetneje okrog leta 1907 dal izdelati Alfonz Paulin za vodne rastline. Ta del vrta je tudi še v večji meri zgornji del in zid pod lipo še vedno obdan z zidom, ki so ga tukaj lahko zgradili že okrog leta 1822 ali pa med leti 1842 – 1845. Ostali del zidu, ki je obdajal ta najstarejši del vrta so podrli in kamenje uporabili za po vojni narejeni skalnjak. Zid je bil v potresu leta 1895 zelo poškodovan in so ga tedaj po dveh letih ponovno postavili, enako se je zgodilo z manjšo lopo. Zato je v tem najstarejšem delu vrta še hiša, ki so jo zgradili leta 1897 za upravno zgradbo vrta. Ob njej danes raste mogočni ginko (ženska rastlina). 

Čeprav so vrt leta 1945 razširili na 2,3 ha so že leta 1955 ob rekonstrukciji Ižanske ceste del ograje pomaknili v vrt in tako je nekaj dreves ob še kasnejših rekonstrukcijah ostalo na zelenici izven vrta.

Ta del vrta je tudi tisti, kjer naj bi bilo po Meliku nekoč kolišče. Da so kolišča tukaj bila okrog 3500 let pred našim štetjem dokazuje tudi izkopano kolišče v letu 2009, ko so začeli s prenovo bližnje ležeče špice. Janez Jalen v svoji povesti Bobri prav to kolišče v botaničnem vrtu, ki ga tudi navaja, slikovito opiše.

Šele Z Grubarjevim prekopom, ki so ga gradili v letih v letih 1772 – 1778 so tukaj mimo vrta speljali globok umetni kanal Ljubljanice.

Seznam rastlin, ki rastejo v arboretumu: