Estudia el funcionament de les plantes considerant principalment els fenòmens de creixement, el metabolisme i les interaccions amb el medi i els altres organismes: pot abraçar també aspectes especials, comparats o patològics. No té un límit establert amb la bioquímica i es relaciona íntimament amb les ciències morfològiques (anatomia, citologia) pels lligams existents entre forma i funció. Es constituí com a ciència al s. XVIII, amb Vegetable Staticks (1727), obra de S. Hales, on examina el creixement de les plantes, la pèrdua d’aigua per evaporació i altres fenòmens. A la darreria del s. XVIII es destacà J. Ingenhousz, que en la seva obra Experiments on Vegetables Discovering their Power of Purifying the Air (1779) demostrà que les plantes verdes absorbeixen diòxid de carboni de dia i en desprenen de nit, mentre que només desprenen oxigen de dia.
Al segle XIX foren empresos estudis referents a la fotosíntesi, l’osmosi, la nutrició mineral, el creixement, etc. N.T. de Saussure demostrà que el diòxid de carboni és essencial per a les plantes verdes, H. Dutrochet feu els primers estudis quantitatius sobre l’osmosi, J. von Liebig i J. Knop feren estudis sobre la nutrició mineral de les plantes, i S.N. Winogradsky establí el paper dels bacteris en l’absorció del nitrogen. Al segle XX comencen els estudis referents a la fotoperiodicitat, als enzims i als processos bioquímics de la fotosíntesi. El 1920 W.W. Garner i H.A. Allard descobriren la fotoperiodicitat. El 1928 Fritz W. Went aïllà l’auxina, i el 1937 R. Hill demostrà el despreniment d’oxigen en cloroplasts aïllats sota l’efecte de la llum. D.I. Arnon, M. Calvin i altres investigadors acabaren d’establir els mecanismes bioquímics de la fotosíntesi.
La fisiologia vegetal constitueix la base de l’agricultura científica, i així, p ex, el coneixement de les relacions entre creixement i nutrició mineral és la base de l’ús dels adobs, i l’estudi de la funció de l’aigua a les plantes pot servir per a establir nous mètodes d’irrigació. La branca més jove de la fisiologia vegetal és l’ecofisiologia, fisiologia de la distribució de les plantes i de les comunitats vegetals, que estudia els efectes causats, per exemple, per la competència interespecífica, la sequera, les temperatures extremes, les gelades, les radiacions, els excessos o les deficiències nutritives, les toxines naturals, la pol·lució, etc. És una branca en plena expansió que s’espera que aporti coneixements que permetin millorar la productivitat, especialment, en àrees semidesèrtiques o marginals, actualment improductives.