A cette époque, la Riviera est un lieu très prisé par la haute société, en particulier anglaise et russe. Les anglais, grands amateurs de plantes, créent autour de leurs villas de merveilleux jardins, en profitant des conditions climatiques privilégiées de cette région.

Les débuts du jardin sont un peu difficiles car Gustave Thuret découvre les conditions climatiques particulières de la région et en particulier la sécheresse. Il se heurte aussi à la difficulté de trouver les plantes qu'il recherche. Il met alors en place un véritable réseau de correspondants qui lui envoient des graines du monde entier.

Il va être de plus en plus sollicité par des amateurs éclairés avec qui il entretient des relations fréquentes. Il accueille par la suite les botanistes les plus éminents de son époque : Bentham, Hooker, Decaisne, Hanbury, Mastero, Schimper, Weddell, Burnat de Candolle, Planchon, Naudin, Duchartre, Engelmann et bien d’autres.

Gustave Thuret, ami des Sciences et des Lettres reçoit aussi dans sa villa, diplomates, scientifiques et artistes. George Sand évoque dans ses Lettres d’un voyageur (1868) : "…le plus beau jardin qu’elle ait vu de sa vie…".

Il poursuit l’acclimatation et l’étude des végétaux des zones subtropicales et méditerranéennes avec son ami Edouard Bornet (1828-1911) à qui l’on doit, entre autres, la première classification des lichens et la création de nombreux hybrides de cistes. L’ensemble de ces travaux a largement contribué à la transformation du paysage végétal de la Côte d’Azur et à l’essor de l’horticulture méditerranéenne.

A la mort de Gustave Thuret, Edouard Bornet continue et publie les travaux scientifiques qu’ils avaient entrepris ensemble.

En 1877, la belle-sœur de Gustave Thuret, madame Fould, fait donation à l’Etat français de la propriété devenue jardin botanique, afin qu’y soient poursuivies des recherches botaniques et scientifiques.

La direction de la villa Thuret est alors confiée en 1878 à Charles Naudin (1815-1899) qui a participé notamment à la découverte des fondements de la génétique. Il poursuit l’œuvre de Thuret et de Bornet, en particulier, l’acclimatation des Eucalyptus et les Pittospores. On lui doit en particulier l'introduction du palmier Jubaea chilensis dans son jardin de Collioure (Pyrénées Orientales) puis à la villa Thuret.

Georges Poirault (1858-1936), agronome, succède à Charles Naudin et contribue à développer la recherche horticole méditerranéenne.

En 1927, le jardin est confié à l'Institut de Recherches Agronomiques qui devient l’Institut National de la Recherche Agronomique (INRA) en 1946. Un centre de recherche est installé sur le Cap d'Antibes et les travaux portent alors sur les grandes cultures florales : l'oeillet, la rose, l'anémone, les techniques de culture hors sol puis la pathologie végétale et la lutte biologique. L'INRA poursuit dans le jardin botanique les travaux d'acclimatation d'espèces végétales de climat méditerranéen.

En janvier 2004, l’ensemble des laboratoires INRA qui étaient installés au cap d'Antibes sont transférés à Sophia Antipolis pour constituer avec l'Université et le CNRS, un nouvel ensemble intégré : le centre INRA AGROBIOTECH de Sophia Antipolis. Au cap d’Antibes, seul le site de la villa Thuret, avec son jardin botanique, reste administré par l’INRA.