Die Orangerie entstand zeitgleich mit dem Schloss und der ursprünglichen barocken Parkanlage und setzt sich aus mehreren auch später ergänzten Gebäuden und Freiflächen zusammen. Der Orangeriehof, auch Parterre genannt, ist die Aufstellfläche für die zahlrechen Kübelpflanzen. Er ist ganzjährig frei zugängig.
Das heutige Ensemble wurde Mitte des 18. Jahrhunderts fertiggestellt. Zum Orangerieplatz gehören das Gärtnerhaus, die Orangerieflügel, das dahinter anschließende Neue und Lange Haus sowie der Rote Turm. Herzog Carl August und Goethe gingen hier ihrer botanischen Leidenschaft nach und so gelangten die neuesten Exoten der Zeit aus aller Welt in die Pflanzensammlung. Besonders berühmt war Belvedere für die Sammlung von sogenannten Kap-Pflanzen und Neuholländern, also Pflanzen aus Südafrika und Australien. Im „Hortus Belvedereanus“, dem Katalog der Pflanzensammlung, waren 1820 rund 7.900 Arten und Varietäten verzeichnet.
Hunderte Bitterorangenbäume zählten in den besten Zeiten zum Bestand der Orangerie. Auch Granatäpfel, Feigen und Kaffeebäume wurden hier kultiviert. Bereits Schlossgründer Ernst August gab große Summen für exotische Pflanzen aus und ließ sich eine Orangerie errichten, die die Bedeutung und den Reichtum eines barocken Hofes repräsentierte.