A partir de su estancia en la capital novohispana, Balmis mostrará un profundo interés por el estudio de la botánica, muy especialmente, por el uso de plantas medicinales para la curación de algunas enfermedades.

Hacia 1790, siendo director de la Sala de Gálicos, comienzan a verse los primeros resultados de los experimentos realizados con la utilización agave y begonia como terapéutica contra la sífilis, a través de un método propuesto por Nicolás Viana, que recibía el nombre de “El Beato” y que le había sido transmitido por una mujer de la provincia de Michoacán que lo conocía desde tiempo inmemorial. El tratamiento, en cuestión, consistía en administrar infusiones de estas plantas, Balmis simplificaría y adaptaría las fórmulas.

En 1792, Balmis saldrá rumbo a España con 100 arrobas de agave (o maguey) y 30 de begonia, se instalará en la calle de la Montera y allí comenzará la puesta en marcha de sus experimentos.

Fruto de sus investigaciones, y en respuesta a las críticas recibidas (“Narraciones históricas de las observaciones o ensayos prácticos hechos para examinar y comprobar las virtudes medicinales del ágave y la begonia” de Bartolomé Piñera y Siles), en 1794 Balmis publicará un libro bajo el título Demostración de las eficaces virtudes nuevamente descubiertas en las raíces de dos plantas de Nueva-España, especies de agave y de begonia para la curación del vicio venéreo y escrofuloso, y de otras graves enfermedades que resisten al uso del Mercurio y demás remedios conocidos.

En honor a Balmis y en reconocimiento a su labor como botánico, le dedicaron una planta: la Begonia Balmisiana. Además, la repercusión de la obra tuvo alcance internacional y fue traducida al italiano y al alemán. En 1794, Carlos IV nombra a Balmis Consultor de Cirugía del ejército y autoriza un nuevo viaje a México para poder traer plantas para su uso médico, pero también para el Real Jardín Botánico madrileño.