本馆主要搜藏台湾（含附属岛屿）及东亚维管束植物。特殊的搜藏有菊科、秋海棠科、鸭跖草科、珍珠菜属（报春花科）、细辛属（马兜铃科）、魔芋属（天南星科）、茜草科、地锦属（大戟科）及茶科。蕨类则有王弼昭先生毕生采集遗赠的珍贵标本约9,000份。此外，尚有日据时代重要采集者岛田弥市（Yaiti Simada）先生之标本2,000余份、台湾兰科专家苏鸿杰教授赠送本馆包含85属246种台湾原生兰科标本，以及与美国加州科学院及哈佛大学交换获得的大量中国西南地区植物标本。 2000年初朱宇敏博士加入植物所，本馆即开始真菌类标本之搜藏。迄2016年9月，典藏之植物标本已达140,000余号，其中53件标本已列为本院珍贵动产。
本馆与世界约30所学术机构交换复份标本，以换取东亚（特别是大陆及日本）植物为重点。目前交换对象除国内各大学及植物研究机构外，遍及亚洲各国、美国、英国及荷兰之主要大学、植物标本馆、博物馆与植物园等。
自1992年起，本馆得到台湾中央研究院植物研究所及行政院农业委员会支持，由彭镜毅博士研究室及标本馆同仁执行「台湾植物资源调查及资料库建立」计划。目的是建立台湾植物普查资料，提升本土植物种原保护，搜集环境影响评估之资料，并建立资料库于网际网路。
自1995年起在中央研究院计算中心的协助下，本馆研究搜藏之成果已公布于全球网际网路，为台湾第一个开放于网路上的资料库。彭镜毅研究员于1996年编辑出版之「台湾维管束植物编码索引」（农委会赞助）也置于该网站。
2002年起执行「数位典藏国家型科技计画」，将各类植物之标本、文献、分布及生态影像等珍贵典藏品数位化，建置资料库，并公开于网路提供各界查询利用（目前已建档标本标签资料118,822笔、标本影像100,260笔、植物生态影像12,731笔）。博物馆之典藏品，经过数位化过程获得重生；经由网际网路之流通平台，提供学术研究、科普教育等全方位之利用，并呈现了台湾傲人的生物多样性。