Koleksi Tumbuhan
Lebih dari 2100 jenis dan 18,000 spesimen tumbuhan menjadi koleksi Kebun Raya Bali yang berasal dari pegunungan kawasan Indonesia timur, meliputi: Bali, Nusa Tenggara, Sulawesi, Maluku dan Papua. Tiap tahunnya koleksi ini terus bertambah yang berasal dari hasil eksplorasi, pertukaran biji antar Kebun Raya, perbanyakan tanaman dan dari pembibitan komersial. Karena keunikan Kebun yang menggabungkan unsur alam dan penataan landscape menjadikan Kebun Raya dapat menata koleksi sesuai dengan habitat aslinya, dari perairan, darat dan epifit.
Kebun Raya secara aktif melakukan eksplorasi ke berbagai daerah terutama pegunungan Kawasan Indonesia Timur. Hasil eksplorasi ini merupakan ujung tombak penambahan koleksi yang sangat berguna bagi usaha konservasi dan restorasi. Biji dan tanaman yang dikoleksi adalah jika memiliki asal yang diketahui dan terdokumentasi, atau diimpor secara legal. Tumbuhan yang memiliki potensi infasif, polusi genetika atau membawa hama dan penyakit akan secara hati-hati diseleksi atau dievaluasi sebelum diterima.
Penataan Koleksi
Kebun Raya ditata dalam bagian yang disebut Vak yang ditulis dengan huruf angka Roman (contoh: V) dan dibagi lagi menjadi sub-vak (contoh: V.A). Tanda itu dituliskan pada tugu kecil dari beton yang dicat hijau. Masing-masing tanaman akan diberi nomor unik dalam bentuk papan nama, meliputi nama ilmiah, asal tanaman dan nomor akses yang berhubungan dengan database. Tiap tumbuhan digolongkan menurut sukunya yang mencerminkan hubungan kekerabatannya, dari tumbuhan paku, tumbuhan biji sampai tumbuhan berbunga.
Koleksi Khusus
Selain koleksi umum diatas, koleksi khusus juga dikembangkan berdasarkan tema atau kekhasannya. Koleksi khusus ini adalah anggrek, kaktus, begonia, tumbuhan paku, tumbuhan air, tumbuhan obat, tumbuhan upacara adat dan mawar. Koleksi khusus ini ditempatkan di dalam rumah kaca dan/atau ditata dalam gaya pertamanan yang unik.