Dans les régions à hiver froid, les orangeries servent à préserver les agrumes des rigueurs hivernales.
Depuis sa création par Marie de Médicis, plusieurs Orangeries se sont succédées au Jardin du Luxembourg.
L'Orangerie accueille régulièrement des expositions.
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La Chambre des Pairs décida en 1836 de construire dans le Jardin du Luxembourg sur les plans de l'architecte Alphonse de Gisors, un vaste édifice pour abriter, pendant la saison froide, ses collections de plantes d'orangerie. Le bâtiment fut édifié ici, en 1839, le long de l'allée des platanes. C'était une construction d'environ 57m de long sur 15m de large, percée en façade de sept grandes fenêtres en arcade laissant entrer la lumière et de deux portes latérales permettant le passage des plantes.
A partir de 1886 cette orangerie fut mise à disposition du Musée du Luxembourg. Pour accueillir les œuvres d'art, l'orangerie fut agrandie et sa façade portée à 72cm. C'est à cette occasion que l'administration des Beaux-Arts l'orna de douze bustes représentant des sculpteurs et des peintres célèbres et de deux statues symbolisant la Sculpture, figurée sous les traits de Phidias, et la Peinture.
La création en 1937 du Musée national d'art moderne de la ville de Paris mit fin à cette situation et l'Orangerie du Jardin put retrouver, au lendemain de la seconde guerre mondiale, sa fonction originelle.
L'orangerie actuelle, située dans la partie ouest du Jardin abrite environ 180 plantes en caisse qui sont ensuite disposées dans le Jardin. La collection se compose principalement de palmiers, de grenadiers ornementaux, de lauriers-roses, 60 agrumes, principalement des bigaradiers (oranges amères au nombre de 34), mais aussi des palmiers-dattiers (19 phoenix, 7 chamaerops), des lauriers roses (46) et des grenadiers (24). Les plus beaux et les plus anciens exemplaires de bigaradiers sont exposés chaque année dans le jardin, de mai à octobre, le long de la façade sud du Palais. Leur âge est estimé à environ 250 à 300 ans.
En septembre, toutes les plantes, sauf les palmiers, sont taillées pour limiter leur volume, pour leur conserver un port en boule aussi régulier que possible et pour supprimer au maximum les fleurs et les fruits en formation dont le développement épuiserait trop la plante.
Les orangers adultes sont rencaissés tous les 12 à 15 ans lorsque le bois des panneaux commence à pourrir ; les palmiers sont rencaissés plus souvent car après 7 à 8 ans, les panneaux de chêne de 4 cm d'épaisseur ne résistent pas à l'extraordinaire poussée des racines.
La motte de terre est réduite de 10 cm sur ses côtés puis placée dans une caisse neuve ou restaurée, de mêmes dimensions dont la solide armature est en fer ou en fonte pour les modèles les plus anciens (1856).
La caisse refermée, un mélange terreux riche en matières organiques est tassé par couches successives le long des panneaux de bois. Les caisses les plus lourdes comme celles des grands palmiers (4,5 tonnes) sont transportées dans le jardin à l'aide d'un fardier. Depuis 1996, le tracteur du fardier est équipé d'un moteur électrique afin de réduire la pollution sonore et atmosphérique.