Az első nyilvános állatkertek a 18. század végén nyíltak meg Nyugat-Európában, a schönbrunni állatkertet 1780-tól látogathatta a közönség Bécsben. A pesti állatkert létrehozásának gondolatát a világutazó néprajzkutató, egykori 48-as honvédtiszt Xántus János vetette fel, őt támogatta Gerenday József orvos és botanikus, a Füvészkert igazgatója és Kubinyi Ágoston, a Magyar Nemzeti Múzeum igazgatója is.
Xántus, akit távollétében választottak meg a szervezőbizottság elnökének, 1864-ben tért végleg haza, hogy az állatkert alapításában tevékenyen részt vegyen. A kert helyéül Pest városa két telket is felajánlott a Városligetben, ezek közül a vasúthoz közelebb esőt választották, a pénz előteremtésére részvénytársaságot alapítottak.
Igazgatónak természetesen Xántus lett volna a kézenfekvő választás, de 48-as múltja miatt nem jöhetett szóba, nem is vállalta volna a tisztséget, nehogy azt higgyék, szervezőként magának akart hivatalt létesíteni. Más hazai jelentkező nem lévén, ideiglenesen a bécsi Leopold Fitzingert nevezték ki, aki az őt övező ellenséges légkör miatt még a megnyitás előtt lemondott. Xántus a közvélemény nyomására ekkor vállalta el a tisztséget.

Az állatkert nemzeti összefogással épült: Petz Ármin, Pest főkertésze ingyen készítette el a parkrészek, Reitter Ferenc a tavak és csatornák, ifjabb Koch Henrik és Szkalnitzky Antal az épületek terveit. Az állatállomány részben adományokból, részben vásárlás útján állt össze. Xántus még Amerikából küldött állat- és növénytani anyagokat, emellett az egész országból érkeztek felajánlások, Ferenc József pedig néhány ritkaságot adományozott a schönbrunni gyűjteményből, jó néhány állatot pedig megvásároltak.

A mintegy ötszáz állat között a hazai fajokon kívül számos majom- és makifajt, papagájt, tevét, kengurut láthatott a közönség, de akkoriban még sem oroszlán, sem tigris, sem elefánt nem lakott a tizenegy nagyobb és számtalan kisebb állatházban.
Többszöri halasztás után 1866. augusztus 9-én rendezték az ünnepélyes megnyitót, amely fontos társasági esemény volt a város életében. Nem sokkal később Erzsébet királyné is meglátogatta a kertet. Az érdeklődés azonban idővel lankadt, ezért az újabb mecénások megnyerésének szándékával az intézményt fenntartó részvénytársaság 1872-ben Állat- és Növényhonosító Társasággá alakult.

1868-ban Erzsébet királyné közbenjárására érkezett az állatkertbe az első zsiráf, 1893-ban vásárolták meg a Berlini Állatkertből az első vízilovat, Jónás után két évvel orángutánnal és orrszarvúval gazdagodott a park. A millenniumi ünnepségek idején az állatkertben cirkuszi bemutatókat is tartottak, és itt épült fel az Ős-Budavár szórakoztatónegyed, amely rendkívüli népszerűsége miatt még egy évtizeden át működött a kertben.

Az Állat- és Növényhonosító Társaság az 1900-as évek elején egyre nagyobb anyagi nehézségekkel küzdött, a főváros által újra meg újra megemelt bérleti díjat nem tudta kigazdálkodni. 1907-ben a csődbe ment vállalkozástól a főváros vette át az állatkertet, amelyet 1909 és 1912 között négymillió aranykorona költséggel Kós Károly, Neuschloss Kornél és Zrumetzky Dezső tervei alapján, Lendl Adolf zoológus szakmai irányításával építettek újjá.
Bár a terület az egykori Vidám Park, a Gundel étterem és a Cirkusz miatt szűkült, igyekeztek az állatok számára természetes környezetet kialakítani, egyebek között két műszikla-hegyet emelve, az állatokat helyenként nem látható árkokkal választották el a látogatóktól. Az állatkert az 1930-as évek elején akváriummal és pálmaházzal bővült.

A második világháború végén, Budapest ostroma alatt a kert elpusztult, a kétezerből csak 14 állat maradt életben. Az újjáépítés nem mindig szakmai alapon történt, a korszerűsítésekre és fejlesztésekre 1956 után Anghi Csaba irányításával került sor. A rendszerváltás idején azonban az állatkertre már ráfért a teljes megújulás és korszerűsítés. Az azóta eltelt években újjászülettek és újra régi szépségükben pompáznak azok a műemlék épületek, amelyek a kert világszerte ismert, sajátos hangulatát adják.

Az állatok férőhelyeit tágasabbá, természetszerűbbé és esztétikusabbá tették, a rekonstrukció a kert minden részét érintette. Korszerű nagymajomház létesült, felújították a szarvasházat és a madárházat, a Pálmaházat és az akváriumot. A szecessziós stílusú Elefántház műemléki rekonstrukciója, Kugler Katalin terve 2001-ben Európa Nostra-díjat nyert. 2010-ben nyílt meg a Lepkekert, a Madagaszkár-ház, 2012-re készült el a Nagysziklában a Varázshegy-Életmúzeum.

Az állatkert eredetileg kijelölt területe többször változott, de 2013-ig csak csökkent. A 2013 őszén bezárt Vidám Park területét azonban az intézmény kapta meg, így csaknem akkora lesz ismét, mint megalapításakor volt. Az új területeken a tervek szerint Meseparkot alakítanak ki, és itt kap helyet a hajdanvolt pannon ősvadon világát megelevenítő Pannon Park is.

A kert területe 2014-ben országos jelentőségű védett természeti terület minősítést kapott. Az állatkert teljes állatállományát (a Margitszigeti Kisállatkerttel együtt) 2015 októberében 861 faj 8370 egyede és 142 tenyészete alkotta. A legrégebbi folyamatosan bemutatott faj a nílusi víziló, a legújabb a szecsuáni takin, a legritkább a mhorr gazella. A legsúlyosabb Assam, az elefántbika, a legrégebbi és egyben a legöregebb lakó Samu, a csukaorrú aligátor már 1952 óta él a kertben, és hetvenéves is elmúlt. A fővárosi állatkert ma Magyarország egyik leglátogatottabb kulturális közintézménye: évente mintegy egymillióan keresik fel, 2014-ben Prima Primissima Díjat kapott.