牡丹园位于水生植物池北，占地3.6万平方米。园内建牡丹亭、牡丹厅和长廊，均系仿明清建筑，砖木结构，面积分别为16、54、72.5平方米。园内种植牡丹150个品种和芍药近万株，其中有被誉为牡丹中的花王姚黄、花后魏紫，以及枣红色的首案红、青白色的昆山夜光、肉红色的胡红，还有紫乔、洛阳红、大棕紫、玉楼春、乌龙卧墨池、晨玉、紫斑等精品。

近年来，园内新增日本牡丹76个品种（包括花王、岛锦等）、兰州紫斑牡丹49个品种（包括书生捧墨等）、四川牡丹金腰楼、红丹兰、玉半白3个大品系，园内种植牡丹品种达到300余种。充实山茶品种50余种，并通过配置观赏性强的品种，达到提高景观效果、增强科学性的目的。每年四五月间，牡丹、芍药争先怒放，满园姹紫嫣红，成为沪上赏牡丹的好去处。园内还配植香樟、月桂、杜英、紫椴、杜仲、红果榆、枫香等86种乔灌木。