L'objectif premier fut pédagogique. Il était souhaitable de disposer, à proximité de l'Ecole forestière, de collections dendrologiques qui permettaient aux élèves de se familiariser avec les principales essences forestières spontanées et introduites.

Au moment de la création de l'arboretum, une voie ferrée d'intérêt local desservait le hameau de La Bouzule depuis la gare de Nancy, ce qui facilitait les déplacements des élèves.

Sur les plans anciens, entre la halte de la Bouzule et l'arboretum, figure un sentier, dit de l'arboretum, qui reliait directement la station de chemin de fer à l'arboretum à travers les parcelles forestières de la forêt d’Amance. Inutilisé depuis de nombreuses années, il n’est plus visible dans la forêt actuelle.

Plan de l'arboretum (Jolyet, 1900-1901)

Paul Henri Fliche, qui fut également professeur à l'Ecole, n'était pas non plus convaincu de l'intérêt des exotiques quand il écrivait :

On voit que mes conclusions montrent que l'une et l'autre naturalisation et acclimatation sont chose fort rare en France, que la dernière est impossible à l'homme et qu'il n'est pas à prévoir que de nouvelles expériences soient beaucoup plus heureuses que celles tentées jusqu'ici en vue de la première.
...

Cette vision pessimiste est maintenant en partie démentie. Par exemple, le Douglas (Pseudotsuga menziesii Franco S.L.), essence exotique provenant de l’ouest de l’Amérique du Nord, est devenu, depuis la fin des années 1980, la première essence de reboisement en France ! Il avait déja été introduit avec succès dans la partie annexée de l'Alsace Lorraine, donc avant 14-18.

Mais nous assistons depuis quelques années à un puissant mouvement qui prône le retour à une sylviculture plus proche de la nature avec une priorité donnée aux essences naturelles et en particulier feuillues.

Le 19 octobre 1900...
Un texte de 1909 révèle que la décision de créer l’arboretum a été prise au cours de l’été 1900, après une étude préalable en forêt de Haye et en forêt de Champenoux par Paul Henri Fliche, professeur à l’Ecole forestière et Antoine Jolyet, inspecteur adjoint, chargé de cours à la même école.

Créé officiellement le 19 octobre 1900, par arrêté du Conseiller d'Etat Lucien Daubrée, alors directeur général des Eaux et Forêts, l'arboretum d'Amance est la plus ancienne collection dendrologique de Lorraine et de l'Est de la France.

Quatre parcelles, d'une contenance totale de 16 ha 98, sont distraites de l'aménagement du massif forestier, alors appelé forêt domaniale de Champenoux, pour y établir l'arboretum. 10 ha 19 sont affectés à l'arboretum proprement dit et 6 ha 79 à l'annexe de l'étang de Brin.

Beaucoup de plants utilisés lors de la création de l’arboretum d’Amance proviennent de l'arboretum des Barres.
En effet, avant même que la création de l’arboretum d’Amance ne soit officielle, Lucien Daubrée avait écrit à l’arboretum des Barres pour obtenir des plants. Pour plusieurs espèces, les plants disponibles sont scindés en deux lots ; le premier est envoyé à Paris pour l'Exposition Universelle de 1900 et le second, conservé en pépinière, est envoyé l’année suivante à Amance. Le 1er avril 1901, 214 arbres arrivent à la gare de Brin-sur-Seille dans quatre wagons

A la fin de l'Exposition universelle de 1900, des plants du premier lot sont expédiés à Nancy et introduits à Amance. Parmi les plants qui ont fait le trajet Nogent-sur-Vernisson, Paris, Nancy, un seul subsiste : il s'agit d’un grand Douglas, situé en bordure du placeau 27 de l'arboretum. Il porte encore les cicatrices laissées par un coup de foudre. La tempête du 26 décembre 1999, qui a fait des ravages dans l’arboretum et a détruit beaucoup d’arbres originaires d’Amérique du Nord, l’a miraculeusement épargné.
D’autres plants sont commandés à divers pépiniéristes lorrains ou étrangers (belges en particulier).

L'arboretum est divisé en 74 "parquets", regroupés ultérieurement en 35 puis 36. Pour des raisons didactiques, les parquets sont organisés en quatre sections géographiques :
- Eurasie occidentale et Afrique du Nord (29 parquets).
- Eurasie Orientale (Sibérie, Mandchourie, Chine, Japon) ( 17 parquets).
- Amérique du Nord, région Pacifique (13 parquets).
- Amérique du Nord, région Atlantique (15 parquets).

Après la deuxième guerre mondiale, la direction de l’arboretum est assurée par René Rol qui deviendra aussi directeur de l’Ecole forestière, puis par Jean Pourtet, directeur de la troisième section de la station de recherches forestières.

Eugène Francis Debazac, professeur à l’Ecole forestière, puis chercheur à l’INRA, étend l’arboretum entre 1960 et 1967 de l’autre côté de la route forestière, sur le territoire de la commune de Champenoux.
Sur un peu plus de trois hectares, 81 essences sont introduites en petites parcelles qui constituent le nouvel arboretum.

En 1964, l’ensemble de l’arboretum devient la propriété de l’INRA qui le gère depuis cette date.

La gestion de l’arboretum de collection est confiée à l’Unité expérimentale du Centre INRA de Nancy, alors que celle du nouvel arboretum et de l’arboretum forestier est confiée à l’Unité amélioration.

Depuis 1997, les visites guidées du grand public et des scolaires sont assurées par le Centre Permanent d'Initiatives pour l'Environnement de Nancy-Champenoux, alors que les visites à caractère scientifique le sont par l’INRA.