綜合改造
2004年3月天津市委、市政府決定對植物園及其周邊環境進行綜合改造，總體方案由上海華東建築設計研究院規劃設計，計畫總投資1億7000萬元，成為全國第一大城市公園。項目主要包括：三個大門改造、三組服務建築改造、新建生態棧橋、生態廣場，並對園區的水系、道路、廣場、綠化等進行全面改造，改造後的植物園充分體現了市委、市政府全面貫徹落實科學發展觀和“以人為本”的理念。
改造建設的主要內容有
三個大門1、三個大門：原有北門、東門、東南門拆除，新建具有現代氣息的大門，以飄板式大門作為入口通道，大門廣場設定大型景觀燈柱，使夜景與城市主幹道融為一體。
生態棧橋2、生態棧橋：總長820米，平均寬2.7米，主體為鋼結構，西起植物園西南角玉繡河廣場，東至東南角的生態廣場，空間格局上呈“S”形，蜿蜒穿過植物園南半部。生態棧橋所賦予的主題是連線園內南區各景點、設施和水系，補充和完善原有步行系統，擴大空間景觀布局，起到移步換景的效果，即節省了地面空間，又保留原有綠化面積和園林景觀，使城市生態更加完善。
三組服務建築3、三組服務建築：主體均為鋼結構，外觀裝飾是玻璃幕牆。東門服務建築位於植物園東側，地下一層地上局部二層，建築面積約2200m2 ；映日湖服務建築是園內映日湖的濱水建築，面積近2500m2，生態棧橋自建築二層穿過，既是景觀地又是觀景地；西南角服務建築是三層鋼結構，面積約1200m2，西臨玉繡河，通過六順門到玉函路，把植物園景觀與玉繡河廣場融為一個統一的整體。
生態廣場建設4、生態廣場建設：新建的生態廣場，是一處以綠色植物為主體的大型室外演藝廣場，設計新穎，造型優美，六株大型塑樹使人造景觀與自然植物溶為一體，外圍以厚重的綠色植物做背景以加重廣場的生態比重，配套設施完備，能同時容納5000餘人，滿足各種文藝演出，看台下附設了1200平米的商業鋪面，不僅是整個園區最經典的休閒娛樂空間，也為我市增添了一處環境優雅的露天公共集會場所。
科普館
進入植物園壯觀的東大門可見隱藏於假山瀑布中的科普館，科普館占地350平方米，展覽面積1000平方米，它的一樓主要展示瀕危植物、市樹、市花與中國十大名花科普知識；介紹植物生命的奧秘、世界植物之最等內容。二樓以植物和動物標本展示為主。
彩色植物區
由植物園大門往北即進入彩色植物區，彩色植物區主要收集植物葉、乾、果常年或季節性等呈彩色的植物，這裡有紅葉李、紫葉桃等彩葉樹種及黃櫨、槭樹等秋季觀葉樹種20餘類，還有枝幹呈紅色的紅瑞木、枝幹呈金黃色的黃金槐等，也有 “活化石”水杉、銀杏等植物。
紫薇石榴園
紫薇石榴園位於主園路知春路西側，南鄰彩色植物區，主要栽種石榴、紫薇的各類品種，有“翠微”、“銀薇”、“白石榴”、“瑪瑙石榴”、“月季石榴”等品種。紫薇映日紅耀天，榴花似火照眼明，它們以紫、紅為主的色彩絢麗的花朵在夏日爭奇鬥豔、繁花常駐。 春花湖、秋實湖 、夏香湖、冬韻湖 植物園內水系由南部山區水庫引來，水質清澈甘洌。結合神洲生態樂園用水形成了六個湖面，用暗管或溪流連通，植物園園區水面借用春、夏、秋、冬四季，從西向東依次為“春華”、“夏香”、“秋實”、“冬韻”四湖。春花湖在世界城韓國館和銀杏松柏園之間；夏香湖西依聖地山，水從湖西南角的“古窯涌翠”經嬉水淺灘瀉入夏香湖，它是植物展覽區面積最大的湖，這裡既可臨岸觀水、涉灘嬉水，還可登高望遠；秋實湖水面組團式配置了多種水生植物，水生花卉與植物營造出精美的水岸風情，秋季觀石榴、柿樹等碩果纍纍。
海棠園
海棠園位於秋實湖西北部，海棠一樹千花，嫵媚風韻，令人陶醉，唐朝《花譜》稱海棠為“花中神仙”。海棠園收集薔薇科蘋果屬、木瓜屬的貼梗海棠、垂絲海棠、西府海棠、木瓜海棠等品種，還有引自北美的花果俱佳的絢麗海棠、道格海棠、鑽石海棠、霍巴海棠等品種。
櫻花園
櫻花園東臨海棠園，北接童樂園，以引種薔薇科李屬植物為主，主要引種有大山櫻、日本櫻花、日本晚櫻及碧桃、榆葉梅等植物。春季桃紅櫻粉，落英繽紛，深深淺淺融成一片，雲蒸霞蔚。
薔薇園
在植物園東北部，主園路知春路南側，栽種豐花月季、微型月季、茶香月季、藤蔓月季等品種。園區利用薔薇和藤蔓月季構築的花廊、花架、花棚、花門、花籬等圍合空間，豐花月季、茶香月季花團錦簇，組成花陣。由於薔薇月季色澤豐富，蓓蕾四時不絕，頗能感受到“曾配桃李開時雨，仍伴梧桐落後風”的意境。
牡丹園
在主園路中段的南側，東臨薔薇月季園，以引種栽培芍藥科植物為主。牡丹園地形起伏，牡丹、芍藥依勢散置，更配以丹楓、白皮松增加四季景觀。牡丹是中國的傳統名花，富貴吉祥的象徵，因其花品多、花姿美，雍容華貴、艷冠群芳，花色、姿、香、韻俱佳而素有“花中之王”、“國色天香”的美譽。芍藥具有“花相”之稱，由於芍藥花期較牡丹晚，當百花開罷，園中略顯寂寥之時，萬綠叢中，芍藥綻開，奼紫嫣紅，令人賞心悅目。
童樂園
位於南北主幹道百合路中段西部，這是孩子們的天地，園內設計了許多適合兒童玩樂的遊戲，使孩子們在玩樂中增長知識，還設計了比較安全的適合兒童游嬉的涉水池、沙灘、卵石灘等親近自然的內容。
木蘭園
位於夏香湖與北主園路之間，主要以引種木蘭科植物為主，每當早春，樹葉未發，經春風的吹拂，春雨的滋潤，木蘭花如千萬隻玉鳥飛臨枝頭，玲瓏瑞雪堆積樹梢。玉蘭不但花色美麗，還有幽幽清香。微風徐徐，芬芳縷縷，純正宜人。
松柏銀杏園
松柏銀杏園位於植物園最高地域聖地山西坡，園區主園路迎夏路東側。建設順應山勢，因高就低，形成以緩坡為主，台地、岡阜起伏變化的地形和自然交錯種植的裸子植物創造出壯觀、自然、樸拙的自然景觀。這裡冬季綠色經久不衰，春夏松蔭匝地，到了秋季，金黃的銀杏、五角楓，火紅的火炬樹、黃櫨等，和蒼松的翠綠相間，明麗、清新、純淨，讓人不捨得離去。
竹園
位於夏香湖南面，是以栽培展示竹子為主的專類園。在我國的傳統文化中，竹是“歲寒三友”，包含了中國傳統道德的優秀品質：“上下有節顯示忠心，同根共發是仁義，竹竿空心代表謙虛，狂風不倒更是非常堅韌不拔”。這裡主要引種栽培了剛竹、巴山木竹、紫竹等16個品種約28000株，綠筠萬桿，鬱鬱蔥蔥。這裡可以欣賞竹的清姿，聆聽竹的清音，品味竹的清韻，享受一份特有的寧靜。
盲人植物園
盲人朋友通過聽、嗅、觸覺，一樣可以感知自然界中千姿百態、五彩繽紛的植物。這裡特別為盲人朋友設計了專用植物園，園內種植各類易於為盲人感知的植物，如芳香類植物（蠟梅、海棠、丁香等），葉型特殊類植物（銀杏、馬褂木、七葉樹等）；枝幹特殊類植物（柿樹、龍爪槐、紫薇等）和果實特殊類植物（紫荊、金銀木、五角楓等），其中有專供盲人“手讀”的文字介紹牌和語音提示系統，即使盲人沒學過盲文，也可以通過語音提示來了解植物。園內設定有盲道、扶手、標識牌、語音系統、無障礙休息平台、無障礙廁所等為盲人朋友服務的設施，說明標牌的附近，有不同花木可以觸摸，還可以通過直接用手觸摸來認識植物，使盲人能夠發揮觸、感、知、嗅、聞的代償功能，以詳盡了解各類植物的名稱、特性和用途。
菊園
菊園位於植物園南主園路中段北側，主要展示菊科植物及宿根花卉，種植以百合科、景天科、石蒜科、菊科、鳶尾科等近百種宿根花卉，自春至秋花開不絕。每年一度的秋季菊花展是植物園的精品所在，可展出菊花約1000個品種，以及各種藝菊造型，場面宏大，精品薈萃，成為濟南秋季賞菊花的好去處。菊園還種植了大片竹林、點綴了柿樹、銀杏等觀果、觀葉的喬木，這些植物與菊花及其它宿根花卉交相輝映，構成了四季可觀賞遊覽的園地。
