Коллекция древесно-кустарниковых растений составляет 662 вида, 49 подвидов, 20 разновидностей, 20 форм и 656 сортов, которые относятся к 159 родам и 58 семействам.

В Южном массиве Сада находится Дендрарий – самая большая по площади и видовому разнообразию коллекция, сформирована на площади 45 га. Растения высажены по систематическому принципу, преимущественно родовыми комплексами в ландшафтном стиле. Виды в пределах родового комплекса расположены отдельными группами, куртинами или рощами. На сегодняшний день в коллекции Дендрария порядка 500 видов, форм и сортов. На основании подведения итогов успешности интродукции был подобран ассортимент перспективных древесных интродуцентов для включения их в состав зеленых насаждений различного функционального назначения.

В Северном массиве древесные интродуценты представлены в коллекционно-экспозиционных и аллейных насаждениях. Коллекции представлены родовыми комплексами или в составе тематических комплексных экспозиций.

Коллекционно-экспозиционный участок «Ели» площадью 0,4 га демонстрирует видовое, формовое и сортовое разнообразие этого рода. Он был создан методом прививки декоративных форм на ель колючую, основные работы по прививке проводились в начале 2000-х годов на территории розария. На сегодняшний день в коллекции представлены 19 видов и сортов елей, которые успешно акклиматизировались и в настоящее время представляют собой роскошные растения с разнообразными формами кроны. На участке ели расположены в пейзажном стиле солитерами и группами. В 2024 году эта коллекция была дополнена саженцами ели колючей Picea pungens Engelm., полученной в подарок от Главы Кабардино-Балкарской Республики.  

Коллекционно-экспозиционный участок «Сосны» сформирован на площади 0,8 га в 1998–2003 гг. в виде отдельных куртин с целью привлечения в коллекцию современных высокодекоративных форм и сортов. Он создавался методом прививки на сеянцы сосны крымской. В целом современная коллекция сосен в Саду 19 видов, 4 подвида, 4 разновидности, 5 форм и 6 сортов. В коллекции представлены виды североамериканского, западноевропейского, сибирского, дальневосточного и средиземноморского происхождения. В 2016 году заложен участок первичного интродукционного испытания сосны кедровой, посадочный материал которой в количестве 50 шт. был получен от участников экологического движения «Звенящие кедры России».

Коллекция «Фундуки» высажена в 1997 году на площади 0,5 га и включает 40 сортов, привезенных из дендропарка «Веселые Боковеньки» и Великоанадольского гослесхоза. В 2016 г. коллекция была дополнена сеянцами лещины американской, лещины обыкновенной форма извилистая и лещины рогатой, выращенными из семян, полученных из ботанического сада г. Тарандт (Германия). В результате интродукционных испытаний отобраны виды, формы и 18 наиболее перспективных сортов. Представленные в коллекции виды и формы лещин интересны для использования в ландшафтном дизайне, а сорта фундуков характеризуются крупными размерами орехов и их хорошими вкусовыми качествами.

Экспозиция «Можжевельники» занимает площадь 0,12 га. В ней представлено 30 сортов 8 видов можжевельника. Сорта можжевельников с раскидистой, приподнятой и колоновидной формой кроны расположены в центре, а со стелющейся – ближе к краям, что позволяет воспринимать экспозицию как целостную композицию. Особенно эффектны можжевельники виргинский и скальный, отдельные сорта можжевельника обыкновенного (плакучий ‘Horstmann’; ‘Blue Fox’ с его компактной распростертой кроной в виде перевернутого конуса; ‘Hibernica’ с высокой узкопирамидальной кроной, напоминающей по форме кипарис; стелющийся ‘Repanda’); очень разнообразны по окраске хвои можжевельник горизонтальный; можжевельник китайский ‘Blue alps’ с игловидной, жесткой, очень колючей хвоей голубовато-зеленого цвета, с мощными, сильными ветвями и эффектно опущенными вниз кончиками побегов. Экзотическая красота можжевеловых зарослей подчеркнута посадками туи западной: ‘Ellwangeriаna Aurea’ с золотисто-желтой окраской хвои, ‘Hoseri’ – карликовым компактным кустарником с шаровидной кроной до 0,5 м в диаметре и чешуйчатой хвоей темно-зеленого цвета, а также ‘Smaragd’ со строгой элегантной кроной изумрудной окраски. Настоящим украшением участка являются отдельные группы декоративнолиственных и красивоцветущих кустарников, с периодом цветения от ранней весны до поздней осени.

Экспозиция «Сирингарий» занимает площадь 1 га. Коллекция сиреней в ботаническом саду начала формироваться в 1970 году. Первые посадки сортовой сирени начались с закладки на территории Северного массива сиреневой аллеи протяженностью около 1 км. В аллее представлено 15 сортов сирени обыкновенной: ꞌЛюдвиг Шпетꞌ, ꞌМадам Антуан Бюхнерꞌ, ꞌМадам Лемуанꞌ, ꞌМадам Казимир Перьеꞌ, ꞌТарас Бульбаꞌ, ꞌБогдан Хмельницкийꞌ и др. В 1972 году в центральной части сада была заложена Аллея сирени венгерской и ее гибридных форм. В 1978 году для более широкого привлечения в интродукционный эксперимент сортового разнообразия был создан «Сирингарий», где в настоящее время собрано  20 видов и форм, 140 сортов, из них 9 раннецветущих сортов сирени гиацинтоцветной, 1 гибрид Престон, остальные – сорта сирени обыкновенной, включая сорта селекции Сада.

В настоящее время в коллекции представлены лучшие сорта отечественной и зарубежной селекции. Основу коллекции сирени составляют шедевры французской селекции, созданные фирмой «Виктор Лемуан и сын», – 60 сортов. Присутствуют в коллекции сорта селекционеров Германии (ꞌЛюдвиг Шпетꞌ) и Голландии (ꞌКлаас Кессенꞌ и ꞌДирк Эвеленс Маарсеꞌ). Сорта сирени голландской селекции – ꞌСенсацияꞌ, ꞌПримрозꞌ, ꞌЭкселлентꞌ и ꞌFloraꞌ – одни из самых эффектных в коллекции Сада. Также представлены 24 сорта известного российского селекционера Л.А. Колесникова, сорта белорусских селекционеров – В.Н. Смольского и В.Ф. Бибиковой, украинского – Л.И. Рубцова и 7 сортов селекции Донецкого ботанического сада. С 2019 по 2021 гг. в коллекцию ДБС были переданы и высажены 24 сорта сирени современной селекционной группы «Русская сирень».

Коллекция сирени является одной из крупнейших в Восточной Европе и продолжает пополняться новыми образцами белорусской, американской и российской селекции. Коллекция рода Syringa включена в Международный реестр и фотобазу Международного общества сиреневодов.

Из тематических комплексных экспозиций необходимо отметить экспозицию «Редкие древесные растения». Эта экспозиция формируется с начала 2000-х на площади около 1 га. В ее составе, помимо коллекции редких древесных растений, входят  тематические участки  «Морское дно», «Можжевельники» и «Топиарные формы». Сейчас на нем произрастает более 50 видов древесных растений. Наиболее интересными являются реликтовые растение гинкго двулопастной, метасеквойя рассеченношишечная, а таже лириодендрон тюльпанный, тисс ягодный, или европейский. Особую ценность представляют уникальные для Донбасса виды: каштан съедобный, конский каштан мелкоцветковый, лапина крылоплодная, или орех кавказский, лещина древовидная, или медвежий орех, палиурус шиповатый, или держидерево, каликант цветущий, пихта белая, или европейская, сосна кедровая корейская, снежноцвет виргинский, рододендрон Ледебура, бук восточный и др.

Тематическая экспозиция «Морское дно» спроектирована с использованием современных тенденций ландшафтного дизайна. Замысел экспозиции весьма оригинален – создать стилизацию дна тропического моря с помощью растений, похожих на жителей морского дна.

Экспозиционно-коллекционный участок «Японский сад» площадью 0,16 га представляет собой стилизацию знаменитых ландшафтных садов Японии. На протяжении 40 лет собиралась коллекция растений японской и дальневосточной флоры, поэтому было принято решение для их экспонирования создать отдельный участок. Работы по созданию участка и подбору ассортимента начаты в 2015 году. Открытие экспозиции состоялось 31 мая 2018 года. Она наполнена символизмом, характерным для японского национального садово-паркового искусства. Центром композиции является живописный холм, у подножия которого с северо-восточной стороны простирается Сад камней с островами и куртинами хвойных и лиственных растений на фоне свободного пространства газона. Формируются, символичные для японского сада, ниваки из можжевельников скального, казацкого и среднего. В Японском саду организованы три точки, создающие эффект «цветения сакуры». В настоящее время коллекционный фонд экспозиции представлен 58 видами древесных, 60 видами – многолетних декоративных травянистых растений. Пополнение видового состава экспозиционно-коллекционного участка продолжается, поскольку это постоянный творческий процесс. Сотрудники ботанического сада неустанно наносят новые штрихи на живописное полотно «Японского сада».

«Формово-декоративный сад» на площадью 1 га. сформированы демонстрационные участки плодовых и ягодных садов разного типа: декоративного, интенсивного, смешанного и др. Декоративным элементом является формирующиеся сетчатый кордон и фигуры в виде пирамид, эпсилона, сфер, пальметт из сортовых яблонь. В 2015 году в честь 70-летия Победы в Великой Отечественной войне на этом участке была высажена «Аллея Победы» из колонновидных яблонь, подаренных Санкт-Петербургским северным питомником. В настоящее время проводится испытание 208 новых для региона сортов плодовых растений, полученных из различных регионов Российской Федерации.

С 2020 года формируется коллекция сортов винограда культурного. На базе коллекции ведется работа по отбору гибридных высокоустойчивых сортов винограда, перспективных для развития промышленного виноградарства в нашей винодельческой зоне, что позволит также оптимизировать структуру агроландшафтов Донбасса в условиях климатических изменений. На винограднике испытываются современные сорта как мировой селекции, так и полученные в нашем регионе, ведется клоновая селекция, идет разработка адаптированных к региональным условиям технологий возделывания. Разработаны концептуальные подходы к развитию виноградарства в Донецкой Народной Республике.

Коллекция «Малораспространенные плодово-ягодные растения» представляет большой интерес как источник новых сортов, перспективных для садоводства Донбасса. В настоящее время в ней представлено 44 вида и более 200 селекционных форм. Учеными Сада получено 5 сортов плодовой шелковицы – ‘Белоснежка’, ‘Дина’, ‘Машенька’, ‘Мереживо’, ‘Південна ніч’, 4 сорта жимолости съедобной – ‘Дончанка’, ‘Украинка’, ‘Скифская’, ‘Степная’, 3 сорта декоративных яблонь – ‘Біла чарівниця’, ‘Травнева красуня’, ‘Чорна перлина’. Поданы документы в Государственную комиссию Российской Федерации по испытанию и охране селекционных достижений на выдачу патента на сорт Cornus mas ‘Донецкий’, Ribes aureum L. ‘Донецкая золотистая’.

Экспозиционно-коллекционный участок «Сад лиан» расположен на площади 0,5 га и находится в стадии формирования. Согласно проекту лианы размещены на объемных опорах различной геометрической формы: сферических, кубической, цилиндрической, конусовидной и пирамидальной. В 2019 г. на постоянное место высажены 40 видов деревянистых лиан, 4 формы и 2 сорта растений. В настоящее время коллекционный фонд лиан составляет 61 вид, 2 формы, 8 сортов.

На основе многолетних интродукционных испытаний, проводимых специалистами лаборатории, разрабатываются рекомендации и ассортиментные перечни растений для озеленения промышленных городов региона. В селекционный процесс активно вовлекаются малораспространенные виды декоративных и плодово-ягодных культур, для получения сортов с заданными признаками.