수목원(樹木園, arboretum)은 많은 식물종, 특히 목본식물(나무)을 수집·재배하면서 식물학적 연구 재료로 활용함과 동시에 일반 대중에게 공개하는 시설을 말한다. 영어 명칭인 'arboretum'은 라틴어 'arbor'(나무)와 '-ētum'(장소)의 결합에서 유래하여 "나무가 있는 곳"이라는 의미를 지닌 것으로 알려져 있다.
수목원은 단순히 나무를 심어 가꾸는 것만으로 성립하지 않으며, 재배된 각 나무에 표찰을 부착하고 일반에게 공개하는 조건을 충족해야 한다. 이 점에서 나무를 기르는 개인 정원이나 조경 공간과는 구분된다.
식물원(botanic garden)과의 관계에 대해 살펴보면, 두 시설 모두 식물종의 수집·재배·연구 및 일반 공개라는 공통된 목적과 운영 방식을 공유한다. 다만 수목원은 목본식물을 주로 다루고 초본류 중에서는 다년초를 일부 취급하는 데 비해, 식물원은 보다 다양한 식물 분류군을 포괄한다는 차이점이 있다. 그러나 실제 운영에 있어 두 시설의 경계는 뚜렷하지 않으며, 한국민족문화대백과사전에 따르면 "식물원과 수목원의 차이는 이를 표기하는 낱말의 차이일 뿐"이라는 견해도 제시된다.
수목원과 식물원은 인류 문화의 발전 과정에서 자연 보존, 자연 애호, 국민 보건 및 자연 교육의 기능을 수행해 왔다. 1954년에는 파리에 국제식물원연합회가 조직되어 국제적인 협력 체계를 구축하였다. 세계적으로는 미국이 가장 많은 수의 수목원·식물원을 보유하고 있으며, 그 뒤를 러시아, 독일, 영국, 프랑스, 일본 등이 따르는 것으로 알려져 있다.
한국의 수목원 역사를 살펴보면, 1907년 서울대학교 농과대학 구내에 교재용 수종이 심어진 것을 시초로 본다. 1922년에는 산림청 구내에 견본원이 설치되었다. 1967년 서울대학교 농과대학 부설 관악수목원이 설치되었고, 1971년 6월 10일 대통령령 5666호로 서울대학교 부속수목원 설치가 공포됨으로써 수목원 설치에 대한 법적 기반이 처음 마련되었다.
민간인이 처음으로 조성한 수목원으로는 충청남도 태안군에 위치한 천리포수목원이 꼽힌다. 약 68헥타르 면적 중 적지를 골라 외국 수종을 심기 시작한 이곳은 특히 목련속과 감탕나무속의 수종에서 국제적인 수준에 이른 것으로 평가된다.
대한민국에서는 경기도 포천시에 위치한 국립수목원(유네스코 생물권보전지역으로 지정)과 서울에 위치한 홍릉수목원(1922년 조성, 한국 최초의 수목원으로 알려짐) 등이 대표적인 수목원 시설로 알려져 있다. 현재 산림청 산하에서는 수목원과 식물원을 산림교육 및 산림복지의 장소로 활용하는 정책을 추진하고 있으며, 이들 시설은 과학적·학술적 기관에서 대중에게 식물에 대한 지식을 전달하는 교육 기관으로 그 기능이 확장되고 있다.
