Thực vật học (tiếng Anh: botany, còn được gọi là khoa học thực vật, sinh học thực vật hoặc ngành thực vật học) là bộ môn khoa học nghiên cứu về thực vật và là một phân ngành của sinh học. Nhà thực vật học, nhà khoa học thực vật hay nhà nghiên cứu thực vật là một nhà khoa học có chuyên môn về lĩnh vực này. Thuật ngữ "thực vật học" trong các ngôn ngữ Tây phương bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp cổ đại là βοτάνη (botanē), nghĩa là "đồng cỏ chăn gia súc", "thảo mộc", "đồng cỏ" hay "cỏ khô"; βοτάνη thì có nguồn gốc từ βόσκειν (boskein), tức là "chăn nuôi" hoặc "chăn thả". Theo truyền thống, thực vật còn gồm có nghiên cứu nấm và tảo, các nhà nghiên cứu được gọi lần lượt là nhà nấm học và tảo học; việc nghiên cứu ba nhóm sinh vật này vẫn nằm trong diện quan tâm của Hội nghị Thực vật Quốc tế. Ngày nay, các nhà thực vật học nghiên cứu khoảng 410.000 loài thực vật trên cạn, trong số đó 391.000 loài là thực vật bậc cao (bao gồm khoảng 369.000 loài thực vật hạt kín) và khoảng 20.000 loài là rêu. Thực vật học có nguồn gốc từ thời tiền sử dưới vai trò thảo dược, khi con người bước đầu cố nhận dạng (và sau đó là trồng trọt) những cây có thể ăn, làm thuốc và có độc, biến nó thành một trong những phân ngành khoa học lâu đời nhất. Những khu vườn thuốc thời Trung Cổ thường gắn liền với các tu viện, là nơi chứa những cây có tác dụng y học. Chúng là tiền thân của những vườn bách thảo đầu tiên gắn liền với các trường đại học, được thành lập từ những năm 1540 trở đi. Một trong những vườn bách thảo đầu tiên là vườn bách thảo Padova. Những khu vực này đã tạo điều kiện cho việc các chuyên gia học thuật nghiên cứu về thực vật. Những nỗ lực phân loại và miêu tả bộ sưu tập này là bước khởi đầu cho phân loại thực vật, từ đó ra đời danh pháp hai phần của Carl Linnaeus vào năm 1753, vẫn còn được dùng để đặt tên cho tất cả các loài sinh vật cho tới ngày nay. Vào thế kỷ 19 và 20, những kĩ thuật mới đã được phát triển để nghiên cứu thực vật, trong đó gồm các phương pháp nhuộm tế bào, dùng kính hiển vi quang học và chụp hình tế bào sống, kính hiển vi điện tử, phân tích bộ nhiễm sắc thể, hóa thực vật, cấu trúc và chức năng của các enzyme và protein khác. Trong hai thập niên cuối thế kỷ 20, các nhà thực vật học đã khai thác những kĩ thuật phân tích di truyền phân tử, gồm có hệ gen, hệ protein và các chuỗi DNA để phân loại thực vật chính xác hơn. Thực vật học hiện đại là một bộ môn đại cương và đa ngành với những đóng góp và hiểu biết sâu sắc từ các lĩnh vực khoa học và kĩ thuật khác. Những đề tài nghiên cứu gồm có ba nhóm chínhː hình thái và giải phẫu thực vật, sinh lý học thực vật (gồm các quá trình tăng trưởng và phân hóa, sinh sản, hóa sinh và trao đổi chất sơ cấp, các sản phẩm hóa học, phát triển, bệnh học,...) và phân loại thực vật (bao gồm nhiều ngành như quan hệ tiến hóa, hệ thống học, đa dạng thực vật,...). Những đề tài nổi bật trong thực vật học ở thế kỷ 21 là di truyền phân tử và di truyền học biểu sinh, nghiên cứu về trao đổi chất và kiểm soát biểu hiện gen trong quá trình phân hóa của tế bào thực vật và mô. Nghiên cứu thực vật học được ứng dụng đa dạng trong việc cung cấp các nguyên vật liệu và thực phẩm thiết yếu như gỗ làm nhà, dầu, cao su, sợi và thuốc, trong trồng trọt, nông nghiệp và lâm nghiệp hiện đại, nhân giống, gây giống và kỹ thuật di truyền, trong tổng hợp hóa chất, ứng dụng trong xây dựng, sản xuất năng lượng, trong quản lý môi trường và duy trì đa dạng sinh học.