С именем проф. Христофора Яковлевича Гоби, сменившего в 1884 году на посту зав. кафедрой А.Н. Бекетова, связана активизация исследований по низшим растениям. Им способствовало открытие в середине 90-х годов XIX столетия Криптогамической лаборатории. Трудами учеников Х.Я. Гоби на кафедре создано два научных направления. Проф. Н.А. Наумов, выдающийся флорист, крупный систематик и фитопатолог, является основателем микологического направления. Одновременно с ним на кафедре сформировалось и ныне существующее альгологическое направление. Одним из крупнейших диатомологов проф. В.С. Порецким и его сотрудниками разработаны принципы и методы использования диатомовых водорослей при изучении стратиграфии и палеографии осадков («метод диатомового анализа»).

После смерти Х.Я. Гоби (1919) кафедру ботаники возглавил другой ученик А.Н. Бекетова – академик, впоследствии президент АН СССР, проф. В.Л. Комаров. С его деятельностью связано обновление программ по основным ботаническим дисциплинам. В 30-х годах на кафедре возникает новое научное направление – анатомия растений, у истоков которого стояла проф. О.Н. Радкевич.

В середине 40-х годов кафедра претерпела реорганизацию. На её основе были созданы кафедра анатомии растений, возглавляемая О.Н. Радкевич и кафедра систематики растений во главе с крупными систематиками академиком, проф. А.А. Гроссгеймом, проф. С.В. Юзепчуком, а затем чл. корр., проф. Б.К. Шишкиным. Разделение кафедры просуществовало недолго, и уже в 1948 году была воссоздана кафедра ботаники, которой до 1958 года руководил Б.К. Шишкин. В 1949–1961гг. на кафедре работал один из крупнейших ботаников XX в., академик, в дальнейшем директор Ботанического института им. В.Л. Комарова АН СССР, проф. А.Л. Тахтаджян. В 1953-54 гг. он был деканом биолого-почвенного факультета.

В 1958 году вновь возникают две кафедры – низших и высших растений. Первой из них руководил проф. В.И. Полянский, работы которого по теоретической альгологии и сине-зелёным водорослям сыграли значительную роль в развитии отечественной альгологии. Кафедру высших растений возглавлял выдающийся систематик, флорист и географ растений, проф. А.И. Толмачёв. В 1963-66гг. он был также деканом биолого-почвенного факультета. В современном объединённом виде кафедра существует с 1968 года.

В 1976-1978 годах обязанности заведующего кафедрой исполняла проф. Н.П. Черепанова, внесшая существенный вклад в развитие микологические направления. Её основные научные интересы, связанные с изучением систематики и экологии грибов, отражены в ряде крупных публикаций и учебниках.

С 1978 по 1990 год кафедрой заведовал проф. В.М. Шмидт, систематик, флорист, морфолог растений. Он сыграл ключевую роль во внедрении математических методов в ботанические исследования. Сейчас покажется странным, но в то время немалому числу исследователей это казалось ненужным делом, уводящим от решения ботанических задач. В годы его руководства активно изучалась флора Новгородской, Вологодской и Архангельской областей.

С 1992 по 2001 год кафедру возглавлял крупнейший систематик, флорогенетик, член-корреспондент РАН Р.В. Камелин. Были созданы четыре магистерских программы, отражавшие сложившееся на протяжении десятилетий основные направления научной и учебной работы: «Альгология», «Микология», «Систематика и география растений», «Структурная ботаника». В эти годы проводились работы по изучению особо охраняемых природных территорий Ленинградской и Псковской областей, расширены районы флористических исследований (Южное Зауралье, Волжско-Камское междуречье).

С 2002 года кафедру возглавляет проф. А.А. Паутов, основные интересы которого лежат в области структурной ботаники. В настоящее время на кафедре ботаники наиболее активно развиваются следующие научные направления: «Альгология», «Микология», «Лихенология», «Эволюционная морфология растений», «Функциональная морфология растений», «Флористика», «Систематика и филогеография растений». В работах активно используются современны методы молекулярной биологии, биоинформатики, хроматографии, моделирования и картографирования.