Peavärava ja suure kasvuhoone vahel paiknevas taimesüstemaatika osakonnas saab õppida orienteeruma keerukas taimemaailmas. Taimede paigutuse aluseks on suguluse põhjal kaheks klassiks jagunemine: jalgteest paremal kasvavad üheidulehelised taimed ja vasemal kaheidulehelised taimed.
Tutvustatakse meie kliimas vastupidavaid, eri geograafilistest piirkondadest pärit looduslikke rohtseid õistaimi – esindatud on umbes 1300 liiki 95 sugukonnast. Taimesüstemaatika osakond rajati 1870. aastal direktor Moritz Willkommi ettevõtmisel ja on samal kohal praeguseni.
Taimepeenarde geomeetriline muster on püsinud muutumatuna 1909. aastast alates ning kaheidulehelised taimed on sinna istutatud sugukondade kaupa. 20. sajandi esimesel poolel viidi üheidulehelised taimed peateest paremale ja paigutati peenardele geograafilise päritolu alusel.
Üheiduleheliste taimede osakonna vabakujuliselt kujundatud peenrad järgivad taimede looduslikku levikut Euroopast Ida-Aasiani ja Põhja-Ameerikani. Alal kasvab taimi 300 erinevast taksonist. Esimesed kevadised õitsejad on Kaukaasiast pärit kolmeemakaline merendera (Merendera trigyna), sibuliirised, krookused, lumi- ja märtsikellukesed. Neile kiirustavad järele sillad, kirgaslilled, puškiiniad, püvililled, madalakasvulised risoomsed iirised ja koerahambad. Jaanipäeva paiku hakkavad õiteilu pakkuma liiliad, laugud ning eriti efektsed on sel ajal ka rohtlaliiliad (Eremurus). Suve teises pooles domineerivad osakonnas kõrrelised (Poaceae) ja lõikheinalised (Cyperaceae), mille vahel augustist oktoobrini võib leida sügislillede ja sügisel õitsevate krookuseliikide sinakaid õielaike.
Kaheiduleheliste taimede osakond asub samal kohal selle rajamisest saadik, mil taimed istutati vastavalt Adolf Engleri süsteemile. Lihtsama õieehitusega sugukonnad asuvad väravapoolses nurgas, kujuteldav arengujoon läheb piki müüri suure lehise suunas ning sealt U-kujuliselt palmihoone eest tagasi, lõppedes kõige enam arenenud ja arvukaima korvõieliste sugukonnaga (Asteraceae).
Osakonnas kasvab taimi ligikaudu 1000 liiki 70 sugukonnast: üle poole neist on püsikud, teised ületalvikud või suvikud. Vähetuntud rohtsetest püsikutest on olemas näiteks elulõngjas tobiväät (Aristolochia clematitis), kaukaasia ronimalts (Hablitzia thamnoides), vorpvili (Molopospermum peloponnesiacum), esindajad perekondadest sõrmputk (Endressia), niitleht (Prangos), hiliskakar (Leucanthemella), reseedake (Sesamoides).
Suvikutest kasvavad osakonnas nii vanad tuttavad, näiteks peiulilled (Tagetes), lõvilõuad (Antirrhinum), pruudisõled (Zinnia), kui ka vähemnähtud taimed perekondadest lohekübar (Dracopsis), näsaseemnik (Thelesperma), nööpaugulill (Centratherum), ööpalsam (Zaluzianskya), lõvikõrv (Leonotis). Siin saab näha veel mitmeid tarbetaimi – tatart (Fagopyrum), läätse (Lens), artišokki (Cynara), lina (Linum), riitsinust (Ricinus), tubakat (Nicotiana), safloori (Carthamus) ja teisi.