Au bout du faubourg Saint-Victor, là où un moulin à vent de l'abbaye Saint-Victor tournait jadis sur la butte Coypeau, Louis XIII décide en 1626, sur les conseils de son médecin Jean Héroard, de planter un jardin royal d'herbes médicinales à l'est de Paris. La fondation officielle date de 1635, et c'est Guy de La Brosse qui en devient le premier directeur. Le jardin ouvre au public en 1640 sous le nom de Jardin du Roi, avec serres et, bientôt, ménagerie.

Sous l'impulsion de Georges Buffon, puis de Bernard de Jussieu et Louis Daubenton, l'endroit devient au XVIIIe siècle un véritable temple des sciences naturelles. Deux arbres en témoignent encore : le cèdre du Liban rapporté d'Angleterre par Jussieu (dans son chapeau, dit la légende), et le platane planté par Buffon. En 1786-1787, Edme Verniquet fait dresser au sommet du labyrinthe une gloriette en bronze — l'une des premières structures métalliques de Paris — pour abriter un méridien. La Révolution transforme l'institution : en 1793 le Jardin du Roi devient Muséum d'Histoire Naturelle, et l'année suivante son amphithéâtre accueille les premiers cours de l'École Normale, avec Laplace, Monge et Daubenton à la tribune.

Le lieu accumule les anecdotes savoureuses : le squelette de Cartouche y est exposé après son exécution en 1721 ; Bernardin de Saint-Pierre, l'auteur de Paul et Virginie, y installe une ménagerie d'animaux rares en 1792 ; Cuvier y dépose solennellement le crâne de Descartes en 1821 ; et en mai 1871, pendant la Semaine sanglante, une cour martiale s'installe entre les allées pour fusiller des fédérés, dont de jeunes aides-pharmaciens travaillant dans l'ambulance des serres. Le Douanier Rousseau, lui, vient y rêver ses forêts vierges dans la serre exotique.