La più ricca collezione dell'Orto Botanico è certamente quella delle piante succulente, che annovera migliaia di esemplari per la maggior parte coltivati all'aperto. Ciò è possibile grazie al clima piuttosto mite che permette di supplire in parte alla carenza di serre.
Per le loro originali forme e strutture le succulente rappresentano una delle attrattive di maggior pregio dell'Orto sia dal punto di vista didattico che estetico. Fu lo stesso Tornabene che diede vita alla collezione; infatti da un suo elenco redatto nel 1887 risultano presenti esemplari di diverse famiglie, quali Aizoacee, Crassulacee, Cactacee, ecc.
Nel 1963 essa fu arricchita di 4000 nuovi esemplari in seguito all'acquisizione della collezione di C. Di Stefano; recentemente, un ulteriore incremento si è avuto grazie alla donazione del dott. C. Gasperini.
Oggi, in base a una stima approssimativa, la collezione di succulente raccoglie circa 2000 specie, prevalentemente Cactacee, Agavacee, Euforbiacee, ecc.

L'apparente uniformità di aspetto che si osserva in piante appartenenti a famiglie sistematicamente molto lontane è il risultato di un adattamento convergente ad ambienti estremamente aridi e si manifesta con l'acquisizione di particolari strutture quali il parenchima acquifero, ricco di mucillagini in grado di trattenere notevoli quantità di acqua, l'epidermide ispessita e cutinizzata, la trasformazione delle foglie in spine, la presenza di fusti fotosintetizzanti, l'assunzione di forme sferiche allo scopo di limitare la superficie traspirante, e così via.

Le Cactacee sono piante tipiche del continente americano; esse hanno forma varia, con fusto colonnare od otriforme e foglie generalmente trasformate in spine.
Solo il genere Pereskia è simile nell'aspetto alle comuni piante arboree con ampie foglie persistenti e per questo motivo viene considerato il più primitivo.
Tra gli esemplari più notevoli sono da citare alcuni Cereus di grandi dimensioni, dalla tipica fioritura notturna, e diversi Echinocactus grusonii, ultra-centenari, di inestimabile valore. Numerosi esemplari di Mammillaria (M. schiedeana, M. herrerae, M. theresae)sono custoditi in serra e all'aperto.
Inoltre, particolarmente interessanti sono Blossfeldia liliputana, il più piccolo cactus sudamericano in grado di fiorire e fruttificare prima di raggiungere mezzo centimetro di altezza; Astrophytum capricorne con le sue varietà tra cui la var. nivea, molto rara e delicata; Leuchtenbergia principis, il cui aspetto ricorda quello di un'agave, con rami che portano alle estremità areole, spine e fiori.
Altre pregevoli Cactacee sono Roseocactus fissuratus, Melocactus jansenianus, Toumeya papyracantha, Lophophora williamsii.
Dalle regioni aride dell'Africa australe proviene la maggior parte delle Aizoaceae.
Caratteristico è il genere Lithops; le piante hanno la forma di piccoli sassi e si mimetizzano con il terreno ciottoloso circostante.
Diversi sono gli esemplari di Euforbiacee fra cui spiccano, per la bellezza dei rami e per il portamento maestoso, alcuni giganteschi esemplari di Euphorbia abyssinica ed E. candelabrum, mentre altri, quali Euphorbia trigona, E. caerulescens ed E. resinifera, formano densi cespugli.
Fra le Crassulacee citiamo Crassula falcata dai caratteristici fiori rosso sangue disposti in dense cime e C. brevifolia a foglie bordate di rosso, nonché i generi Sedum, Echeveria ed Aeonium.
Fra le Agavacee arboree spicca un eccezionale esemplare di Nolina recurvata, del Messico sud-orientale, con il caratteristico ingrossamento basale del fusto che supera i 2 m di diametro.
Infine, ricordiamo la presenza nell'Orto di diverse specie di Asclepiadacee tra cui quelle del genere Stapelia dai tipici fiori a stella che emanano uno sgradevole odore di carne putrida per attirare particolari insetti pronubi (mosche).
Stapelia europaea ssp. europaea, dell'isola di Lampedusa, è l'unica specie del genere presente in Italia allo stato spontaneo.