Klassische Forschungsthemen im Forstbotanischen Garten Tharandt sind insbesondere die Gehölzökologie, -systematik, -physiologie und Gehölzpathologie. Seit dem Jahr 2001 wurden im Garten zwei Dissertationen und verschiedene wissenschaftliche Abschlussarbeitern fertig gestellt. Derzeit läuft ein Projekt zur Systematik der in Deutschland beheimateten Eichenarten.
Im Rahmen der Dissertationen wurde das zuvor genannte Datenbanksystem zur Verwaltung der Pflanzenbestände in Botanischen Gärten entwickelt. Es ermöglicht die lückenlose Dokumentation und kartografische Visualisierung aller relevanten Daten in Botanischen Gärten und wird derzeit auch in anderen Gärten eingeführt.
Die zweite Arbeit widmete sich der ökologischen Strategie der Eibe, einer seltenen und bedrohten Baumart, von der im Forstbotanischen Garten Tharandt sehr viele Exemplare aus Naturverjüngung gedeihen. Neue Ergebnisse zur Wachstums- und Blühdynamik sowie zur Ökophysiologie belegen, dass die Art in ihrer Angepasstheit und Anpassungsfähigkeit an die Bedingungen in den heimischen Ökosystemen bisher erheblich unterschätzt wurde. Die heutige Situation dieser Baumart muss daher deutlich anders bewertet werden.
Anpassung und Optimierung sind Voraussetzung für das standortfeste, nachhaltige Überleben der Bäume. Diese Phänomene können damit auch Vorbild für menschliche Wirtschafts- und Konstruktionsweisen (Bionik) sein. Der Forstbotanische Garten bietet mit seiner Vielfalt alter Baumindividuen eine Fülle von Beispielen für entsprechende Studien, die auch direkt in die Lehre einbezogen werden.
Parallel zu diesen eher befristeten, projektbezogenen Forschungsarbeitern laufen im Forstbotanischen Garten auch Dauerbeobachtungen zur Phänologie und zum Wachstum der Gehölze. Diese Daten werden alljährlich erhoben und im Datenbanksystem des Gartens aufbereitet. Derart langfristig können Daten heutzutage nur noch selten erhoben werden, weshalb sie einen besonderen Wert darstellen. Sie stehen natürlich auch für nationale oder internationale Vergleiche zur Phänologie zur Verfügung und können beispielsweise Hinweise für langfristige Klimaveränderungen geben.
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten wurden und werden zunehmend auch zu Themen der Umweltpädagogik im Forstbotanischen Garten betreut und erarbeitet.
Neben der eigenen Forschungstätigkeit ist ein Botanischer Garten klassischer Dienstleister für andere Forschungseinrichtungen. Es werden Pflanzen oder Pflanzenmaterialien sowohl für universitätsinterne als auch externe Forschungsvorhaben zur Verfügung gestellt. Pflanzen werden im Forstbotanischen Garten auch speziell für Forschungsprojekte anderer Struktureinrichtungen kultiviert.