2002年，按照“建成国内著名、世界知名的牡丹主题园林”的目标，清华大学、上海同济大学、北京林业大学、中央美院等国内一流单位规划设计，对牡丹园进行了大规模的改建，总投资5000万元。经过一、二期改建的曹州牡丹园山水相连、鸟语花香，景观特色突出，每年谷雨前后，园内花如海、人如潮，蔚为壮观，日游客接待量最高达10万人，年接待游客35～50万人，海外游人每年大幅度增加。2000～2005年，年内综合经济效益均创800余万元，成为菏泽市三产发展、城市建设、知名度提高的巨大推动力。
园内有参观点30余处。主要有牡丹主观赏区，包括品种资源圃、花色圃、花型圃。芍药大全圃，随着牡丹、芍药早、中、晚品种的调整，实现了牡丹、芍药花期对接。国花馆，一楼大厅铺装了大理石地面，在大厅正对入口处及厅东、西两侧镶钳了大型牡丹图案。大厅中央放置青铜铸牡丹宝鼎，两侧布设十二花神青铜雕塑，东为历史厅、西为文化厅。二楼为牡丹精品图谱。三楼为文化艺术厅。牡丹鲜花展厅，每年花会期间举办国际牡丹插花展，品味国内一流。雷泽湖，河道600余米，养植观赏荷花近50种，花色多样，形态各异。有的花大盈尺，千层起楼，游人称“牡丹荷花“。花期长达80多天。牡丹文化广场，广场中耸立着牡丹园主题雕塑，并建有文化柱廊，直径一米，高九米的9根文化石柱，分别雕刻着菏泽的重大历史事件、历史人物和风俗民情。在旅游高峰期，广场上举行武术、戏曲、歌舞、舞龙舞狮等表演和比赛活动。九色春晖。怀抱雷泽湖，上植近万株大龄牡丹，并配植月季、金银花、石楠、玉兰等乔灌花木。梅石园。以数百株红、白、绿、粉各色梅花和奇石为主体，间植牡丹、芍药、紫荆、月季和多种观花桃树。花神庙。庙中玉石卧佛系我少最大玉佛，长5.4米，重25吨，用整块缅甸玉雕琢而成。菏山流霞。工程建于东大门内侧，集透、漏、秀、奇、喷泉、瀑布、宝塔、山体植物于一体。民俗文化广场，位于梅石园东北，主要是在牡丹花会期间表演菏泽民间抬花轿、泥塑、剪纸、斗鸡、斗羊、武术等活动。
旅游服务设施日益健全完善。包括生态化的园内道路、宾馆、牡丹茶艺厅、餐厅、特色纪念品、花卉产品、书画艺术品销售部、星级旅游公厕等。
曹州牡丹园将以突出国花牡丹为主题，进一步扩建达到133.34公顷，建成一个现代化生态化牡丹主题大型植物园林及AAAA级旅游景区，使之成为山东自东向西“滨海观光、济南访泉、泰山揽胜、曲阜怀古、菏泽赏花”黄金旅游线路的重要一环，连接齐鲁文化与中原文化旅游的重要驿站。