植物學 （英語 ：Botany）是一門研究植物 形態解剖、生長發育、生理生態、系統進化、分類以及與人類的關係的綜合性科學，是生物學 的分支學科。傳統上的植物學也包括真菌 和藻類 的研究，如今這兩類研究被細分為了真菌學 與藻類學 ，但國際植物學大會 仍將它們包括在討論範圍內。如今，植物學家研究了大約410,000種陸生植物 ，其中391,000屬於維管植物 （其中包含369,000種被子植物 ），剩餘的約20,000種為苔蘚植物 。
法國奧勒湖附近山坡上的幾株鳶尾花 植物學起源於史前時代 ，人類在尋找藥草 的過程中逐漸鑑別出一些植物物種。而後人類也試圖人工繁育特定植物，以供食用、提取毒素或醫治疾病。這些努力也成為了人類科學研究的起始。歐洲中世紀僧院 里的藥材園 大學 附屬的植物園 ，其為植物研究提供了便利。最早出現的植物園是位於意大利的帕多瓦植物園 。早期對植物的分類與描述為後續植物分類學 奠定了基礎，並促使卡爾·林奈 提出了二名法 ，如今二名法已被廣泛使用於生物命名。19和20世紀出現了許多新的植物研究技術，例如光學顯微鏡 、活體細胞成像 電子顯微鏡 、染色體倍性 分析、植物化學 ，以及酶 與其它蛋白質 的研究。20世紀末，植物學家還發展了分子遺傳分析 技術，也即依靠基因組學 、蛋白質組學 、核酸序列 等研究，更精確的分類植物。
現代植物學的研究範圍廣泛，常可從其它學科中汲取發展成果與全新見解。植物學的主要研究方向包括：植物組織的結構 及其生長 繁殖 、生長 生物化學 、代謝 、化學產物 、疾病 、演化關係 、系統分類 以及植物分類 。進入21世紀後，植物學研究還加入了表觀遺傳學 與分子遺傳學 ，這兩門學科主要關注植物細胞 組織 分化過程中基因 表達的機制與控制方式。植物學研究應用廣泛，它有助於更穩定的產出主食 、原料（例如木材 、油 、橡膠 、纖維 、藥物），在現代園藝 和農林業 中幫助植物繁殖 、配種 、基因修改 ，能源或建築材料合成，在環境管理 領域促進生物多樣性 。
主條目：植物學發展歷史
一個植物學家的傳統工具 人類對植物的認識最早可追溯到舊石器時代 ，史前人類在尋找食物的過程中採集了植物的根、莖、葉和果實。植物學的創始人是古希臘科學家泰奧弗拉斯托斯 ，他在著作《植物史 》中描述了植物構造，並對其作了分類。公元1世紀希臘醫師迪奧科里斯 的著作《藥物論 》為日後藥用植物的使用奠定了基礎。1593年明朝 醫學家李時珍 完成了《本草綱目 》的編寫，此書集成了中國16世紀以前本草學 大成。17世紀末，英國生物學家約翰·雷 確立了現代植物分類的基本原理。17世紀出現了各式各樣的顯微鏡 ，開創了植物解剖學 的研究，隨後植物生理學 和植物胚胎學 也得到進一步發展，到19世紀中期，植物學各分支學科已基本形成。近代中國的植物學主要從西方引入，首部譯本是數學家李善蘭 與外人於19世紀中葉合譯的《植物學》，該書所譯的細胞、心皮 、子房 、胎座 、胚 、胚乳 等名詞沿用至今。中國近代植物分類學的奠基人是胡先驌 ，他編寫了中國首部植物學教材《高等植物學》，發現並命名了水杉 。
羅伯特·胡克 在軟木 中發現的細胞，發表於1665年作品《顯微圖譜 》。植物學起源於人類對草藥 的研究與使用。人類早期文明有許多關於植物分類和描述的著作。例如可追溯至1100年前的古印度 著作，古埃及 的阿維斯陀語 文本，中國的植物學早期著作可追溯到公元前221年。秦漢時期的《神農本草經 》是中國最早的藥用植物志。
現代植物學源於古希臘，創始人為亞里士多德 的學生泰奧弗拉斯托斯 ，他發明並描述了許多現代植物學的原理。泰奧弗拉斯托斯的兩部主要著作《植物史 》和《植物本原》是歐洲古代和中世紀 植物學的重要基礎。公元1世紀希臘 醫師迪奧科里斯 的著作《植物志 》是一部共5卷的藥草百科全書，對其後植物學亦有廣泛影響。中世紀伊斯蘭世界 的植物學相關著作包括伊本·瓦希亞 納巴泰農業學 阿布·哈尼法·迪納瓦里 伊本·巴薩爾 阿布·阿巴斯·納巴蒂 伊本·拜塔爾
16世紀中期，意大利 的大學中開始出現植物園。最早的植物園是於1545年創建的帕多瓦植物園 ，如今尚存於原址。這些植物園延續了先前修道院 中「藥材園」的用途，人們在園中種植可能具備藥用價值的植物。植物園的建立支持了植物學的學科發展，在大學中常會舉辦園中相關植物的講座。歐洲北部的植物學發展較慢，其最早的植物園是位於英國牛津大學 的植物園 。醫師萊昂哈特·福克斯 （1501–1566）、神學家奧托·布倫費爾斯 （1489–1534）和醫師希羅尼穆斯·博克 （1498–1554）被並稱為「德國植物學之父」。其中福克斯和博克一反重複早期書本內容的傳統，轉而自行觀察研究植物，布倫費爾斯則是創建了植物分類系統。
瓦勒留斯·科爾杜斯 （1515–1544）在其1544年作品《植物史》（拉丁語 ：Historia Plantarum ）中記錄了有重要藥用價值的植物，並於1546年出版了《藥典》（拉丁語 ：Dispensatorium ）。博物學家康拉德·格斯納 （1516–1565）和藥草師約翰·傑勒德 （1545–c. 1611）也出版了各自的藥用植物相關作品。博物學家烏利塞·阿爾德羅萬迪 被認為是「自然史之父」，他完成了許多植物研究工作。1665年，博學家羅伯特·胡克 憑藉顯微鏡在軟木 切片中發現了並命名了細胞 ，不久後亦在活體植物組織中發現了細胞。
位於瑞典烏普薩拉 的林奈植物園 現代植物學始於對植物的分類研究。18世紀，植物分類系統開始使用單道檢索表 性狀 中選擇與待分類植物最符合的性狀，由此將其向下逐步歸類為不同分類單元 （例如科、屬和種）。該方法的選擇與順序可以設計為只以分類為目的，或者也可以使其更加符合單道檢索表（或稱同步鑰，英語：synoptic keys ）的自然或分類順序 殖民地 擴張，世界各地的新奇植物被採集回歐洲，這位植物學家的研究工作提供了諸多便利，他們無需到訪世界各地便可研究許多異域植物。1753年，卡爾·林奈 發表了植物分類學著作《植物種志 》，該作品是現代植物學二名法 的基礎。根據林奈提出的植物命名方法，標準的植物學名應當由兩個部分構成，第一部分是屬名 ，第二部分標示屬內的物種 。為方便鑑定，林奈在其《性別系統》（拉丁語 ：Systema Sexuale ）中依據植物的生殖器官不同，將它們歸為24個群組。例如第24組隱花植物（Cryptogamia ）包括所有生殖器官為隱藏形態的苔蘚 、地衣 、蕨類 、藻類 和真菌 。
隨着植物解剖學 和植物形態學 的發展和對植物生命週期的認識，人們意識到植物間的親緣不止是林奈在《性別系統》中所描述的那樣。法國植物學家米歇爾·阿丹森 安托萬·羅蘭·德朱西厄 （1789）以及瑞士植物學家奧古斯丁·彼拉姆斯·德堪多 （1819）各自提出了影響廣泛的植物分類系統。德堪多的分類系統 邊沁胡克體系 達爾文 出版的《物種起源 》中有關共同起源 的概念對德堪多體系
1838年，德國植物學家馬蒂亞斯·施萊登 發表了《植物發生論》（德語：Grundzüge der Wissenschaftlichen Botanik ），此書對植物學有很大的影響。施萊登善用顯微鏡，並且是早期植物解剖學家。他與動物學家泰奧多爾·施萬 、醫生魯道夫·菲爾紹 一同建立了細胞學說 ，並且在蘇格蘭植物學家羅伯特·布朗 於1831年發現細胞核 時隨即意識到該結構的重要性。1855年，德國醫生阿道夫·菲克 提出了菲克定律 ，並將其用於計算生物系統中的分子擴散 速率。
生長於康涅狄格州 溫室中的 Echeveria glauca 。植物學家使用拉丁文為植物命名，例如該植物的種小名 glauca 意為藍色。 奧地利科學家格雷戈爾·孟德爾 （1822–1884）藉助對豌豆（Pisum sativum ）實驗研究，最早提出了基因-染色體遺傳學說（英語：the gene-chromosome theory of heredity ），德國生物學家奧古斯特·魏斯曼 （1834–1914）證明遺傳只通過配子 發生，其它細胞都不會傳遞遺傳特徵。凱瑟琳·伊索 Plant Anatomy and Anatomy of Seed Plants ）至今仍被用作植物結構生物學教材。
1936年在瑞士開展的高山植物學課程 丹麥植物學家尤金紐斯·瓦爾明 於19世紀晚期創建了植物生態學 ，他提出植物以群落 方式存在。瓦爾明的導師和繼任者克里斯登·勞恩凱爾 勞恩凱爾植物生活型分類系統 。美國植物學家亨利·錢德勒·考爾斯 、英國植物學家阿瑟·坦斯利 弗雷德里克·克萊門茨 演替 的概念，例如溫帶闊葉混交林 的演替。克萊門茨還提出了頂級群落 概念，它是對應環境所能支持的複雜程度最高的植物群。坦斯利將頂極群落的概念從生態學引入至生物學。19世紀德國植物學家卡爾·路德維希·韋爾登諾 分析了種子散佈 與分佈，植物種群，地質歷史的影響之間的聯繫，並開創了植物地理學 。俄國植物學家尼古拉·瓦維洛夫 （1887–1943）在前人阿方斯·比拉姆·德康多爾 的研究基礎之上發展了生物地理學 、起源中心 和經濟作物 演化史的概念。[ 35]
自1960年代以來，一些植物生理學 原理逐漸被人們理解，例如蒸騰作用 （水分在植物體內的移動），葉面水分蒸發 速率與溫度的依賴關係，水蒸氣或二氧化碳透過氣孔 的分子擴散 過程。藉助這些研究成果以及對於植物氣孔大小的精確測量，科學家得以準確的描述植物在光合作用 過程中與大氣的氣體交換 。洛桑研究所 羅納德·艾爾默·費雪 與弗蘭克·耶茨 統計分析 方面的貢獻簡化了生物研究中的實驗設計和數據分析。1948年，肯尼斯·訴蒂曼 植物生長素 ，允許人們透過外部化學方法控制植物的生長速率。弗雷德里克·坎皮恩·斯圖爾德 植物激素 控制的植物組織培養 技術。2,4-二氯苯氧乙酸 （或稱2,4-D）是人類首次合成的除草劑 。
轉基因植物的組織培養 進入20世紀後，有機化學 技術的進步（例如光譜學 、色譜法 和電泳 ）引領了植物生物化學 的發展。並且隨着分子生物學 、基因組學 、蛋白質組學 、代謝物組學 等學科發展，科學家可以更詳盡的用實驗分析植物基因組 與其生物化學、生理學、形態、行為之間的關係。1902年，奧地利植物學家戈特利布·哈伯蘭特 最先提出所有植物細胞都具備全能性 ，也即具備發育成完整植株的潛能。[ 43] 基因工程 運用於植物細胞的體外培養。科學家可從目標植物中去除一個或多個與特定性狀相關的基因片段，或加入報告基因 （例如綠色熒光蛋白 ），以便於觀察特定性狀的表達。這些生物技術可修改完整植株或生物反應器 內的植物細胞，使其分泌抗蟲物質 抗生素 或藥物 ，此外也有相關技術用於提高作物產量 。
現代植物形態學 認識到植物的根、莖、葉、毛狀體 為連續的統一體，並強調這些結構的動態性。現代植物系統分類學 主要關注植物間的系統發生關係 分子種系發生學 通常忽視植物形態特徵，而主要以植物的基因序列 為數據來源。1998年，藉助對開花植物的基因序列分析，被子植物種系發生學組 發表了被子植物 的種系發生學成果，其中回答了許多有關被子植物與其它物種之間的關係的問題。DNA條形碼 技術是當前植物學研究的活躍主題，該研究理論上可用於鑑定植物物種和商業品種。
近30多年來，分子生物學和近代技術科學，以及數學、物理學、化學的新概念和新技術被引入到植物學領域，植物學在微觀和宏觀層面的研究均取得了突破，無論在研究的深度還是廣度上都達到了一個全新的水平。當今相當多的新知識都從研究模式植物 而來，如阿拉伯芥 。這種十字花科 的雜草是最早完成基因組 測序的植物之一。此外水稻也是較早完成基因組測序的植物，因為水稻 基因組相對較小，同時國際水稻基因測序工程 （英語：The International Rice Genome Sequencing Project ）也把它定為重要的穀物 /草 /單子葉植物 模型。另一禾本科 植物二穗短柄草 也是一個有助理解遺傳學，細胞學和分子生物學的實驗模型。科學家對小麥 、 玉米 、 大麥 、 黑麥 、御谷 、大豆 等主糧都進行了基因組測序。其中部分植物的基因組測序較為困難，因為它們的染色體 中有兩個以上的單倍體 。[ a] 萊茵衣藻 細胞生物學 提供了重要知識。
植物學工作涉及到對植物的採集與描述，以蕨類植物蹄蓋蕨
對植物的研究十分重要，因為植物是地球生命的重要部分。植物的光合作用 為幾乎所有動物提供了賴以生存的氧氣 與食物來源。光合作用以太陽光、水、二氧化碳 為原料，植物的生長發育提供能量與材料，植物、藻類 和藍菌 是進行光合作用的主要群體。氧氣作為光合作用的副產品而被釋放至地球大氣，地球上幾乎所有生命都使用氧氣呼吸 。此外，植物還能防止土壤侵蝕 ，在全球碳循環 、水循環 過程中也扮演關鍵角色。植物對人類未來的發展至關重要，它關乎人類可獲得的食物、氧氣、生化產品 、原材料，並可產生和維持土壤。
在現代科學之前，所有生命都被分成動物或植物（包含真菌），而植物學就是專門研究那些除動物以外的生物。植物學家不僅研究植物的內部運作，例如細胞器 、細胞、組織的功能，還涉及整株植物、植物種群、植物群落 的研究。在每一研究層面，植物學家都可能用到分類學 、發生學 和演化學 等理論，並使用解剖學 和形態學 研究相應結構，使用生理學 研究植物功能運作。
通俗意義上的「植物」只包括「陸生植物」，或稱高等植物 ，其下包含種子植物 （裸子植物 和被子植物 ）和使用孢子 繁殖的隱花植物 （蕨類 、石松 、地錢 、角苔 和蘚類 ）。[ 65] 真核生物 ，其共同祖先可進行光合作用。它們的生活史以單倍體 、二倍體 交替 。處於單倍體階段時稱為配子體 ，在某個階段會發展為二倍體，此時稱為孢子體 。種子植物的配子體由母體孢子體培育。過去植物學家也研究現代植物標準定義以外的生物，現在這些研究已被細分為其它學科，例如細菌 （現在被細分為細菌學 ）、真菌 （現為真菌學 ）——包括與地衣 共生的真菌（地衣學 綠藻 （藻類學 ）、病毒 （病毒學 ）。雖然上述領域已不再是現代植物學的研究範圍，但植物學家仍關注這些物種，並且真菌和原生生物 也仍包含在植物學課程內。
根據內共生學說 ，地球上最早出現的光合放氧生物藍菌 通過內共生演化為了植物真核祖先細胞內的葉綠體 。由此產生的光合植物加快了大氣氧含量的升高，徹底改變 了遠古地球的大氣 組成，並在其後20多億年裏維持大氣中充足的氧含量。[ 70] 古植物學 是研究遠古時期遺留的植物化石記錄的學科，科學家也從這些記錄中探索植物的演化歷程
21世紀關於植物的主要問題是其作出基礎生產者 ，在全球範圍的生命原材料循環中扮演的角色。這些原材料包括能量、碳、氧氣、氮和水。此外，人們也關注植物管理與環境問題之間的關聯，例如資源管理 自然保護 、糧食安全 、入侵物種防治 、碳截存 、氣候變化 、可持續發展 。
人類的食物直接或間接來自於植物，例如大米直接來自水稻。 人類幾乎所有主食 都直接來自植物的初級生產 ，或間接來自以植物為食的動物。植物及其它光合生物是食物鏈的基礎，它們將來自太陽光的能量、土壤和大氣中的養分轉化為可供動物獲取使用的形式。生態學家將其稱為第一營養級 。現代主要食用作物例如苔麩 、玉米、水稻、小麥、豆類 、香蕉 ，以及用於織物生產的火麻 、亞麻 、棉花 等，都來自於史前人類對野外原始植物
植物學家致力於研究利用植物生產食物並提高其產量，例如通過植物配種 方法獲取期望的性狀。這些工作對人類未來十分重要，其可確保人類後代的糧食安全 。植物學家也研究農業中的有害植物，例如雜草。植物病原體 也是他們的研究方向，植物學家藉助對植物病原體的生物研究尋找其在農業活動以及自然生態系統 中的控制方法。民族植物學 是研究植物與人類關係的學科，而當涉及到植物與遠古人類的關係時，則稱為古民族植物學 加拿大原住民 ，他們從眾多植物中分辨出可食用植物。民族植物學家記錄了這些原住民與植物間的關係。
植物生物化學是研究植物內化學反應進程的學科。其中部分化學反應用於自身基礎代謝 ，例如光合作用中的卡爾文循環 和景天酸代謝 。另一些化學反應則用於合成特定物質，例如用於固定植株的木質素 和纖維素 ，或是生成一些次級產物，如樹脂 和芳香味化合物 。
植物和其它光合真核生物細胞內有獨特的細胞器——葉綠體 ，其被認為是從藍菌 與植物祖先內共生 演化而來。葉綠體和藍菌內都含藍綠色素葉綠素 。葉綠素（主要是葉綠素a和葉綠素b）[ b] 碳固定 ，氧氣是該反應的副產物。
植物藉助卡爾文循環 將二氧化碳轉化為糖分子 葉綠素從光照中捕獲的能量最初以電子 形態存在，而後形成電化學梯度 。捕獲的電子用於製造ATP 與NADPH 分子，這些分子用於儲存與轉運能量。能量隨後用在卡爾文循環 的暗反應中，從RuBisCO酶 生產出三碳糖甘油醛3-磷酸 （G3P）。甘油醛3-磷酸是光合作用的最初產物，是合成葡萄糖 及幾乎所有其它有機分子的原材料。部分葡萄糖被轉化為澱粉 儲存在葉綠體中。澱粉是大多數陸生植物及藻類的能量儲存介質，但菊科 植物使用菊粉 （屬於果糖 ）作為能量儲存介質。部分葡萄糖被轉化為蔗糖 ，以更方便的運送至植株其餘部分。
相比無葉綠體的動物，植物和其它真核 親緣生物還藉助葉綠體完成其它一些重要的生物化學過程，例如合成脂肪酸 [ 86] 氨基酸 。[ 88] 細胞膜 提供原材料，陸生植物也以它為基礎構建植物角質層 ，用以減緩水分蒸發。
植物還可以合成許多獨特的聚合物 ，例如多糖 分子纖維素 ，果膠 ，用於合成細胞壁 的木葡聚糖 維管植物 可合成木質素 ，用於加固木質管胞 的第二層細胞壁 木質部 ，以防止植物在水分脅迫 下吸水時倒塌。厚壁組織 中也有木質素，其為植物提供支撐，該組織也是木材的主要成分。孢粉質 孢子 和陸生植物花粉中都有發現，化石記錄顯示，早期陸生植物的孢子和花粉在這類物質的保護下得以存活。廣泛認為孢粉質促進了植物在奧陶紀 的演化。相比植物剛擴散至陸地的奧陶紀與志留紀 時期，如今大氣二氧化碳濃度已有所降低。許多單子葉植物 （例如玉米 和菠蘿 ）和雙子葉植物 （例如菊科 ）各自獨立演化 出了景天酸代謝 以及C4 類二氧化碳固定 ，以降低先前使用C3 類二氧化碳固定 時光呼吸 過程的能量損失。這些演化只在陸生植物中發生。
植物化學 是植物生物化學的一個分支，它關注植物的次生代謝產物 。部分化學產物可能具有毒性，例如毒參屬 植物產生的毒芹鹼 ，這是一種生物鹼 ，對人畜有神經毒性 。而另一些化學產物，人們可能會被其特殊風味吸引，例如辣薄荷 、精油 、檸檬油等，從而將它們作為香料或調味品。醫學上也將由罌粟 生產的鴉片 用於麻醉鎮痛。許多醫學或娛樂藥物 ，例如四氫大麻酚 （大麻 的主要成分）、咖啡因 、嗎啡 、尼古丁 等，都直接源自植物。還有些產品則是天然植物的簡單衍生物 。例如，止痛藥阿士匹靈 （也即乙酰水楊酸）最初是從柳樹 樹皮 分離，許多阿片類 止痛藥 （例如海洛英 ）都是來自罌粟產物嗎啡的化學修改。人們常用的興奮劑 也源於植物，例如來自咖啡 的咖啡因、茶、以可可豆 製作的巧克力、來自煙草 的尼古丁。人類釀造的酒精飲料一般來自糖分豐富的植物，例如啤酒 源自大麥，清酒 源自水稻、紅酒 源自葡萄。[ 97] 美洲原住民 在其數千年歷史中發現了許多具備藥用價值的植物，製藥產業 有時會參考民族植物學 的相關記錄，將其作為發現新藥物的一種方法。
植物也被用於製造顏料和染料，例如紅酒中的紅色源自花色素苷 ，牛仔褲的靛藍色 來自黃木犀草 和菘藍 共同製成的吲哚酚 。藝術家常用的藤黃 和茜草紅 分別來自熱帶 金絲桃科 植物的樹脂 以及染色茜草 的根。
來自植物的常見原材料還有糖、澱粉、棉花、麻布 、火麻 、部分繩子 、木材、塑合板 、莎草紙 、植物油 、蠟 、天然橡膠 等。木材熱裂解 可產生純度很高的木炭 ，歷史上常作為金屬冶煉 燃料，此外也可用於過濾、除濕、作為顏料或製造火藥 。纖維素 是世界上儲量最充足的有機聚合物，可轉化為能源、燃料、製作材料或化學原料。纖維素產品包括人造絲 、玻璃紙、牆紙黏貼劑 丁醇燃料 、硝化棉 。甘蔗 、歐洲油菜 、大豆 等植物因其含有大量可發酵糖或油脂，因此也被用於生產生物燃料，例如製成生物柴油 ，作為化石燃料 的替代。美洲原住民使用茅香 除蚊。美國化學學會 後來發現茅香中起除蚊作用的化合物是植醇 和香豆素 。
豆科植物 Medicago italica 根瘤 固氮 細菌 Ensifer meliloti 互利共生 關係，植物為細菌提供養料與無氧環境，細菌為植物固氮。 植物生態學主要研究植物與棲息環境 的關係。植物生態學家研究本地或區域植物群 的生物多樣性 、基因多樣性、環境適應度 ，以及它們與其它物種間的關係（例如競爭或共生 ）。植物生態學家有時也會採用民族植物學 收集的經驗證據 ，他們可藉助這些經驗證據理解當地在數千年前的環境狀況，以及當地環境隨時間變化過程。植物生態學的目標是理解植物棲息環境與其分佈模式、產量、環境影響、演化過程、對環境變化反饋的關係。
植物的生長依賴環境中的土壤和氣候，同時它們也反過來影響這些環境因素。例如，植物可影響陽光反照率 、改變地表徑流 、穩固礦質土壤、增加土壤有機物含量、影響當地氣候。植物會同環境中其他生物競爭資源，也和多種空間尺度 群集 ）中的同類交互。具備相似植被特徵 非生物因子 、氣候條件、地理環境的區域可被歸為一類生物群系，例如凍原 和熱帶雨林 。
植食性動物 以植物為食，而植物可憑藉各種方法保護自己 寄生 或肉食 行為。植物與其它物種可形成互利共生 關係，例如某些植物可與菌根 、根瘤菌 互換食物，親蟻植物 分散載體
人們可根據植物對氣候和其它環境變化的響應理解這些變化對生態環境功能與生產力的影響。例如，植物物候學 可作為理解歷史氣候學 氣候變化 的生物學影響的窗口 。孢粉學 對數百萬年前 花粉化石沉積物的分析可用於重建古代氣候。根據對古生代 陸生植物 體型、葉片氣孔密度以及葉片形狀的分析，科學家可估算當時大氣二氧化碳濃度。臭氧層空洞 可將植物暴露於高水平紫外線 輻射，從而減緩其生長速率。此外，對植物群集 、系統分類 、生物分類 的研究也有助於深入認識植被變化 、棲息地破壞 、物種滅絕 的原因。
一個關於豌豆雜交的旁氏圖 ，演示了紫色（B）與白色（b）花朵豌豆的雜合子 。 植物與其他多細胞生物有共同的遺傳學基礎。孟德爾 通過對豌豆（Pisum sativum ）的研究發現了植物的遺傳規律。這些遺傳規律後來被發現不只適用於植物，更可擴展至其它生物。與之類似，巴巴拉·麥克林托克 在研究玉米時發現了「跳躍基因 」，其同樣適用於其它生物。不過，植物與其它生物仍存在部分遺傳學上的差異。
相比動物，不同植物物種之間的界限更加模糊，因此常可以進行跨物種雜交 。一個常見的案例是甜橙 ，它是柚子 與橘子 的雜交產物。現今種植的多種小麥都是源於野外原始物種的種間與種內雜交。雌雄同株 的被子植物常有自交不親和性 ，以致花粉 無法落至柱頭 ，或是不能發芽 和產生雄配子 。這是植物用以促進異株授粉 的機制之一。在許多陸生植物中，雌雄配子會由不同個體生成，這種情況被稱為雌雄異株 。
另外與高等動物不同的是，植物中常有源於不同機制的單性生殖 現象，例如土豆的塊根 。尤其是在北極地區 和高山氣候 環境，一般沒有動物幫助傳播花粉，因此小植物和鱗莖植物 可能不會發展出花，而以無性生殖 取代有性生殖 ，從而整個種群都與其父代的基因一致。這是植物中的一類無融合生殖
大多有性生殖產生的個體都是二倍體 ，也即有成對的染色體 ，不過錯誤的細胞分裂也可能使染色體加倍。這類錯誤可發生在胚胎生長早期，導致同源多倍體 或部分同源多倍體生物；或發生在普通細胞分裂時，產生一些多倍體（核內倍數性）細胞；或在配子形成時。兩種不同植物物種的雜交種 可能是異源多倍體（英語：allopolyploid ）。同源多倍體和異源多倍體常是可育的，但可能無法與其父代種群雜交，因為兩者染色體數目不同。這些植物與父代種群有生殖隔離 ，但仍生活在同一區域，最終或許可形成全新物種 營養繁殖 或種子的無融合生殖產生完全一致的後代。硬粒小麥 是可育的異源四倍體 ，而普通小麥 是可育的六倍體 。商業種植的香蕉是不育的、無種子的三倍體 。西洋蒲公英 是三倍體，可借無融合生殖產生可育的種子。
與其它真核生物一樣，由內共生 而來的細胞器，例如線粒體 和葉綠體，它們的基因遺傳不遵循孟德爾定律 。在裸子植物中，葉綠體基因遺傳自雄性父代，而在被子植物中則是遺傳自雌性父代。
阿拉伯芥 （Arabidopsis thaliana ）是首個完成測序的植物，也是重要的模式植物。科學家從模式生物（例如阿拉伯芥 ）的研究中獲取了許多重要的知識。阿拉伯芥的基因組 （或稱遺傳資訊）包含1.35億個DNA鹼基對 ，屬於被子植物中最小的基因組之一。2000年，阿拉伯芥的基因組測序完成，是首個完成基因測序的植物。而後對另一些基因組較小的植物，以及水稻 （Oryza sativa ）和二穗短柄草 （Brachypodium distachyon ）等植物的基因測序也使它們成為了重要的模式植物 ，促進人們對穀物 、禾本科 及單子葉植物 的生物與遺傳學、細胞和分子層面生物學的理解。
類似阿拉伯芥的模式植物 被用於研究植物細胞 和葉綠體 的分子生物學。理想的模式植物的基因組較小，對其需要有較完整的認知或測序，體型較小，世代時間較短。玉米曾被用於研究植物的光合作用以及C4 類植物 糖分的韌皮部 裝載。[ 127] 綠藻 萊氏衣藻 Chlamydomonas reinhardtii ）不屬於有胚植物 ，卻含有與陸地植物相關的綠色素 葉綠體，因此有很高的研究價值。溫泉紅藻綱 下的Cyanidioschyzon merolae 也是一種重要的模式植物，用於研究染色體的基礎功能。菠菜、豌豆、大豆 以及苔蘚植物小立碗蘚 Physcomitrella patens ）常被用於研究植物細胞生物學。
根癌農桿菌 （Agrobacterium tumefaciens ）是存在於土壤中的一類根際 細菌，它可依附植物細胞，透過愈傷組織 導入Ti質體 基因水平轉移 ，從而致使植物患上冠癭瘤（英語：crown gall disease ）。1977年，一些科學家猜測Ti質體可能是將固氮基因 豆科 植物根部的自然載體。如今，對Ti質體的基因修改已成為製造轉基因 作物的主要手段。
表觀遺傳學 是指無法透過DNA序列變化得到解釋的可遺傳基因功能 變化，它可導致生物體性狀改變。例如DNA甲基化 導致的基因表達（或不表達）就屬於表觀遺傳學變化。依附於DNA緘默區 的抑制蛋白也可控制基因表達與否。表觀遺傳記號可能在植物的程式性發展階段被加入或移除，並造成了諸如葉片與花瓣的區分。這些記號可能是暫時的，也可能延續至細胞分裂 結束，從而伴隨整個細胞生命週期。有些表觀遺傳變化是可遺傳 的，而另一些則在繁殖細胞階段被重置。
真核生物藉助表觀遺傳變化控制細胞分化 。形態發生時期，全能 幹細胞轉變為胚胎中的多種富潛能 細胞株 受精卵 開始，並持續分裂分化為薄壁組織 、木質導管細胞 韌皮部 篩管、植物表皮 的保衛細胞 等不同組織。這種分化過程源於部分基因的表觀遺傳活化以及另一些基因的抑制。
與動物不同的是，許多分化後的植物細胞（尤其是薄壁細胞 ）仍保留有全能性，因此仍具備發展為新植株的潛能。不具備全能性的植物細胞包括高度木質化的細胞，成熟後死亡的厚壁組織 和木質部，以及缺少細胞核的韌皮部篩管。雖然植物使用與動物相似的表觀遺傳機制（例如染色質重塑
表觀遺傳變化可導致副突變 ，該變化不遵循孟德爾遺傳定律 。透過等位基因誘使另一等位基因發生可遺傳變化，這類表觀遺傳標記可傳遞至後代。
主條目：植物演化史
泥盆紀 植物 Rhynia gwynne-vaughani植物的葉綠體 與藍菌 （常被錯誤的稱為藍綠藻）相似，科學假說認為，如今攜帶葉綠體的植物為真核生物 與藍菌的內共生 產物。[ 140]
藻類 為多系群 ，其被分為多種不同類別，部分與植物相近。藻類與植物間有諸多差異，例如它們的細胞壁 組成成分、生物化學機制、色素、葉綠體結構、營養儲存方式都有不同。綠藻門 的姐妹類別輪藻門 被認為是包含了植物的遠古祖先。輪藻門下的輪藻綱 與陸生植物中的有胚植物 共同構成單系群 ，或稱鏈型植物 。有學者認為苔蘚植物 和蕨類植物 均起源於藻類，並且是平行發展的。大約從4億年前的志留紀 末期開始，地球陸地上升、水面下降，原本漂浮於海濱或淺水帶的植物體因此擠壓堆積，部分植物露出水面，從而獲得更充足的光照與氣體交換條件。而離開水體後植物亦面臨水分與養料供應的問題，因此演化出了更適應陸地生活的蕨類植物（例如最早的陸生植物代表萊尼蕨 ），其有堅韌外壁包裹的孢子，以及用於支撐的維管 。
無維管束陸生植物是不含木質部 和韌皮部 的有胚植物，其下包含苔蘚植物門 、地錢門 和角苔門 。帶有木質部和韌皮部的蕨類維管植物在志留紀 晚期至泥盆紀 早期分化為不同譜系，其中古老的石松門 存活至今。泥盆紀末期，部分植物群例如石松門、前裸子植物門 、叉葉蕨目 大孢子 孢子囊 內的大孢子發育而來，稱為內生孢子。種子 由覆蓋了一或兩層珠被 的內生大孢子組成。孢子體最初在種子內部發育，在發芽 時釋放至外部。已知最早的種子植物可追溯至泥盆紀法門期 。隨着種子的演化，種子植物開始分化為不同群體，包括已滅絕的種子蕨門 ，以及存活至今的裸子植物門 和被子植物門 。裸子植物的種子裸露，不被子房包裹，如今代表性的裸子植物包括松柏 、蘇鐵 、銀杏 和買麻藤 。被子植物的種子由雌花器 或子房 包裹。現代分子遺傳學 研究顯示，被子植物似乎是裸子植物的姐妹群 。
植物生理學的五大研究方向：植物化學、細胞間交互作用、分子和細胞生物學、植物形態學、植物與環境的交互。 植物生理學的研究範疇包括一切與生命相關的植物內部物理化學活動。植物代謝 所需的所有物質都源於空氣、土壤與水體。植物利用光合作用捕獲來自太陽光的能量，隨後被供給至細胞呼吸 ，這些能量構成了所有生命的活動基礎。光自養生物 包括所有可直接從光照中以光合作用獲取能量的綠色植物、藻類、藍菌。異養生物 包括所有動物、所有真菌 、所有完全寄生植物 以及非光合作用菌，這些生物以來自光合生物的能量為生，並將其用以構建自身細胞與組織。呼吸 是對碳化合物的氧化過程，該過程將碳化合物分解為更簡單的結構，從而釋放其中包含的能量，這與光合作用 過程相反。
各類分子可在植物內轉運，轉運的空間尺度 酶分子 ）的亞細胞轉運需要穿過細胞膜 。植物根部吸收的礦物質和水可由蒸騰流 轉運至其它部位。轉運也可借擴散 、滲透 、主動運輸 、質流 氮 、磷 、鉀 、鈣 、鎂 、硫 等元素。在維管植物中，根部從土壤中吸收這些元素溶於水中的離子，通過木質部 轉運至植物體各處。植物所需的大部分養分都來自土壤礦物質的化學分解。葉片光合作用產生的蔗糖 通過韌皮部 轉運至其它部位，植物激素 有多種不同轉運過程。
1 位於陽光正下方的燕麥胚芽鞘 。紅色部分為植物生長素 ，此時平均分佈在胚芽鞘尖端。 2 隨着太陽位置變化，植物生長素轉移至背光一側，促使該側細胞伸長。3 , 4 一側細胞伸長導致芽尖向光源方向彎曲 。捕蠅草（ionaea muscipul ）的捕蟲陷阱顯示出植物具備觸覺。 植物不是消極被動的，它們可對外部信號 作出反應。例如面對光線、觸摸和傷害等刺激，植物會嘗試移動或遠離這些刺激。觸覺敏感性的證據包括含羞草 （Mimosa pudica ）因觸碰導致的葉片閉合，捕蠅草 和狸藻屬 的捕蟲陷阱，蘭花 的花粉塊
19世紀末，科學家提出假設認為植物可產生激素 調控自身生長。達爾文 設計實驗檢測了植物芽尖和根部的向光性 及向重力性 ，他得出結論「很難否認植物培根尖端……行為就如低級動物的大腦……可作出不同運動」。就在同一時期，德國科學家弗里茨·溫特 生長素 對植物生長的調控作用。最早發現的生長素是吲哚-3-乙酸 （IAA），其可促進植物細胞生長，並最終在50年後被分離。生長素是造成植物向光性和向重力性的原因。1939年，科學家發現植物營養組織可在含IAA的培養基中維持，1947年觀察到可通過控制IAA濃度誘使營養組織生根發芽，這是植物生物技術和基因編輯的里程碑。
細胞分裂素 也是一類植物激素，顧名思義，它能控制細胞分裂過程。玉米素 腺嘌呤 的衍生物。玉米素由根部生成，經木質部傳輸至莖幹，促進此處的細胞分裂、芽的發育以及葉綠體變綠。吉貝素 屬於二萜 化合物，由乙酰輔酶A羧化酶 經甲羥戊酸途徑 合成。吉貝素涉及植物發芽和種子解除休眠，並透過控制莖幹細胞生長來控制植株高度，控制開花。脫落酸 （ABA）存在於除地錢 外的所有陸生植物中，由葉綠體或其它質體從類胡蘿蔔素 合成。該激素抑制細胞分裂，促進種子成熟和休眠，並促使氣孔關閉。人們最初以為脫落酸可促使葉片脫落，於是以此命名。乙烯 是一種氣態植物激素，從甲硫氨酸 合成，可促進果實成熟和葉片脫落。乙烯或乙烯利 被廣泛用於催熟棉花、菠蘿 和其它更年性水果 。
植物激素茉莉酮酸 最初從素馨花 油分離，可在植物受病原攻擊時解鎖後天性系統抗性
光照作為植物的首要能量來源，其也可作為一類反饋信號，例如植物可從中得到每日光照量資訊。因此光照也可對植物造成光形態發生 光敏素 是植物接收光照的受體 。
真雙子葉植物 示意圖，其為最「典型」的植物，佔據所有植物種類的五分之三。然而，並不存在與該示意圖完全等同的植物。植物解剖學 研究植物細胞和組織的結構，而植物形態學 研究植物的外部形態構造。所有植物都是真核生物，它們的DNA儲存在細胞核中。植物細胞與動物細胞或真菌的區別在於：它們有組成成分為果膠 、纖維素 和半纖維素 的細胞壁；比動物細胞更大的液泡 ；具備光合作用和生物合成作用的獨特質體 葉綠體 。植物細胞中的其它質體還可用於儲存物質，例如儲存澱粉 （澱粉體 ）或脂類 （油粒體 ）。此外，鏈型植物 和桔色藻目 [ 180] 細胞分裂 末期使用成膜體 細胞板
維管植物 包括石松 、蕨類 、種子植物 （其下包含裸子植物 和被子植物 ），這些植物通常被分為地上與地下兩個部分。地上部分 （英語：Shoot ）即植物的莖 ，以及依附其上的葉 和繁殖結構。地下部分包含植物的根部 ，根尖有根毛 ，根部通常沒有葉綠素。非維管植物例如地錢 、角苔 、苔蘚 ，它們沒有用於穿透土壤的維管根，但也進行光合作用。地錢的孢子體 階段不具光合作用能力，但角苔和苔蘚的孢子體階段可以依靠光合作用滿足部分能量需求。
植物的地上與地下部分相互依存，地下的根系需要依靠地上光合作用獲取能量，而地上部分需要依靠根系吸收水分與礦物質。各部分細胞可分化為對方的組織，或生成不定根 或不定枝，例如塊莖 、塊根 和匍匐莖 柳樹 中所見到的，可發展出獨立的地上部分，並最終形成全新植株。地上或地下部分缺失時，另一部分通常可以再生長。因此僅憑單片葉子（例如非洲堇屬 ），甚至單個細胞（可分化為愈傷組織 ）都可能繁育成完整植株。在維管植物中，木質部和韌皮部作為傳輸組織，負責在地上與地下部分之間運輸物質。根部有時可用於儲存營養物質，例如糖（糖用甜菜 ）或澱粉（胡蘿蔔 ）。
莖的功能主要是為葉和繁殖器官提供支撐，但在肉質植物中也可儲存水分（仙人掌 ）或營養物質（土豆 ）。莖有時也可用於營養繁殖 ，例如草莓 的匍匐莖繁殖，或是壓條 松柏 、蘇鐵 、銀杏 、買麻藤 ，可產生裸露的種子。而被子植物可開花並產生種皮包裹的種子。木質植物，例如杜鵑 和櫟樹 可產生兩種額外結構：木材（次生木質部）和樹皮（次生韌皮部和木栓 ）。木質植物包含所有裸子植物和部分被子植物。其中部分有性繁殖，部分無性繁殖，還有部分兩種方式兼有。
儘管對於植物主要形態類別，如根、莖、葉、毛狀體 的區分十分有用，但這些類別並非獨立，而是由中間形相連，因此各結構組成了連續的統一體。此外各結構也可視為各過程，因此完整植株即是過程的組合。
植物學家在製作植物標本 系統植物學屬於系統生物學的一個分支，該學科關注各生物的分佈範圍、差異及相互關係，尤其注重生物的演化 歷史。它的相關學科包括生物分類、科學分類學和種系發生學 。植物學家在分類物種時會依據類別將其歸類，例如歸為某個屬 或種 。生物分類學 是科學分類系統的一個形式，現代分類學源於18世紀植物學家卡爾·林奈 的工作，林奈根據生物體的外觀形態將其分類。這些分類後來因達爾文 的共同祖先 理論作了適當調整，也即按照生物的演化祖先而非外表特徵相似性 分類。儘管科學家對於如何分類生物還有爭論，但以生物DNA序列為基礎數據的現代分子種系發生學 技術已經推動許多有關演化歷程的修正，並預計未來仍將繼續。現代生物學應用最廣泛的分類系統是林奈分類學 二名法 命名。《國際藻類、真菌和植物命名法規 》規範了植物學的科學命名 ，法規由國際植物學大會 負責管理。
依據生物分類學，植物界 屬於真核生物域 ，各生物依次向下歸類，直至物種 層級。層級由高到低分別為：界 、門 、綱 、目 、科 、屬 、種 。植物的拉丁學名 由其屬和屬下的種名組成，由此生成獨一無二的名稱。例如鳶尾 的學名為Iris tectorum ，其中Iris 為其屬名，表示該物種屬於鳶尾屬 ，而tectorum 是其種加詞 。屬名首字母需大寫，種加詞小寫，整個學名需以斜體表示，如果無法斜體，則需添加下劃線。
生物群的演化史與遺傳關係稱為系統發生，對此的研究稱為種系發生學 。該學科的基礎方法是利用生物間的遺傳相似性探究其關係。例如葉仙人掌屬 枝葉繁茂，與其它葉片呈針尖狀的典型仙人掌 （例如金琥屬 ）的外觀非常不同。然而葉仙人掌屬和金琥屬都有由刺座 [ 202]
雖然葉仙人掌屬枝繁葉茂，但其刺座結構顯示出它和「典型」的仙人掌金琥屬有相近的演化關係。
因植物相似性而作出的親緣關係判斷必須十分仔細，因為趨同演化 也使不同植物物種獨立演化出相似特徵。部分大戟屬 物種有和仙人掌相似的無葉球莖，這是因適應水棲環境而發生的形態演化，假若仔細觀察就可發現，這些物種的花和仙人掌的花在結構上有顯著不同，因此它們間的親緣關係並不相近。支序分類學 採用系統方法分析生物性狀，以更好的在與演化關係無關的相似性狀——例如不同生物群體獨立演化出的相似特徵（同塑性 祖征 最近共同祖先 身上承襲的性狀（共有衍徵 ）之間作出區分。只有衍徵，例如上述仙人掌植物的刺座，才可提供生物間最近共同祖先的證據。支序分類學分析的結果以支序圖 形式展示，以樹狀結構展示出生物的演化支和後代。
自1990年代起，基於分子特徵和遺傳序列的分子種系發生學 取代了先前以形態特徵為判斷依據的傳統方法，人們不必再依靠觀察形態特徵，例如是否有刺、刺座等資訊判斷植物的演化關係。兩種方法的區別在於，分子種系發生學直接使用植物的遺傳序列為數據，而不再依賴由這些遺傳序列表現出的形態特徵。克萊夫·安東尼·斯特斯 表示這種方法「直接取得了演化的遺傳基礎」。例如，以往人們認為真菌屬於植物，或至少更接近植物而不是動物。然而基因證據顯示，多細胞生物的演化關係應如下面樹狀圖所示——真菌更接近動物而非植物。
1998年，被子植物種系發生學組 在分析了大部分被子植物 的科 後發表了《被子植物APG分類法 》。該成果解答了過去的許多疑問，例如哪一科代表了被子植物最早的分支。對植物關係的研究有助於植物學家更好的理解植物的演化過程。除了對模式植物 的研究以及日漸常用的遺傳證據外，分類學家也在討論和嘗試更好的將植物放入分類單元 。其它科技，例如計算機和電子顯微鏡 的發展極大促進了植物學研究的精細程度，並可在短時間內分析大量數據。
植物學中曾應用一些符號，其中部分已經過時，例如林奈 曾用行星符號表示木質、草本和多年生植物，而韋爾登諾 曾用♄ （土星 符號）代表無性植物，用☿ （水星 符號）代表雌雄同體 植物。以下是植物學中仍在使用的符號：
♀ 雌性
♂ 雄性
⚥ 雌雄同體
⚲ 植物無性生殖
◊ 未知性別
☉ 一年生植物
⚇ 兩年生植物
♾ 多年生植物
☠ 有毒植物
🛈 更多資訊
× 雜交
+ 嫁接雜交
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在一些藍藻中也發現了葉綠素b 。藍菌和部分藻類中還存在許多其它種類的葉綠素，但均未在陸生植物中發現。
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