Warszawa długo nie miała właściwego ogrodu zoologicznego. Wprawdzie już Jan III Sobieski miał zwierzyniec w Wilanowie-Morysinie, a i później powstawały niewielkie menażerie prywatne, pod tym względem jednak Warszawa późno dołączyła do Paryża, Amsterdamu, Budapesztu, czy Poznania, który miał swój ogród zoologiczny już w 1875 roku.

10 lipca 1926 staraniem Mieczysława Pągowskiego został otwarty niewielki zwierzyniec na ul. Koszykowej 47. Zajmował powierzchnię ok. 0,75 ha, ale znalazły się w nim ciekawe okazy zwierząt: niedźwiedź brunatny, lemury, koczkodany, aligator, kangur, jeżozwierz, aguti i wiele egzotycznych ptaków. Równocześnie wspólnym wysiłkiem kilku nauczycieli zoologii utworzono niewielki zwierzyniec przy ul. Bagatela. Oba ogrody cieszyły się wielką sympatią warszawiaków. W rok później zoo Pągowskiego przeniosło się na 10-hektarowy teren przy alei 3 Maja, jednakże koszty utrzymania były tak wysokie, że wkrótce ogród zaczął podupadać.

Uchwałą magistratu z dnia 14 czerwca 1927 przyjęto decyzję o utworzeniu Miejskiego Ogrodu Zoologicznego na Pradze. Jego otwarcie dla publiczności nastąpiło 11 marca 1928 roku. Prowadzenie ogrodu powierzono Wenantemu Burdzińskiemu, byłemu dyrektorowi i założycielowi ogrodu zoologicznego w Kijowie. Pierwszymi mieszkańcami ogrodu stały się zwierzęta z upadłego zwierzyńca Pągowskiego oraz mniejszych menażerii.

Po śmierci Wenantego Burdzińskiego dyrektorem ogrodu został Jan Żabiński, człowiek wielkiej wiedzy, miłośnik zwierząt i popularyzator przyrody. W 1937 przyszło na świat słoniątko, co było osiągnięciem na skalę światową. Azjatycka słonica Tuzinka, potomstwo słonicy Kasi i słonia Jasia, była dwunastym słoniem urodzonym w warunkach ogrodu zoologicznego. Słoniątko bardzo szybko stało się ulubieńcem warszawiaków.

II wojna światowa

Podczas obrony miasta w 1939 personel, ze względów bezpieczeństwa, musiał odstrzelić zwierzęta drapieżne i słonia Jasia. Słonica Kasia zginęła wskutek wybuchu bomby.

Po kapitulacji miasta wywieziono do Niemiec najcenniejsze okazy, w tym ukochaną przez warszawiaków Tuzinkę. Wywózkę zwierząt zarządził dawny znajomy Jana Żabińskiego, Lutz Heck, dyrektor Berlińskiego Ogrodu Zoologicznego, od lat 30. XX wieku pracujący nad „odtworzeniem” wymarłego w XVII wieku tura. Heck zabrał do Monachium żubry i tarpany; te pierwsze miały posłużyć do odtworzenia tura, symbolu siły i potęgi, do którego chętnie odwoływali się naziści. Tuzinka została wywieziona do Królewca, wielbłądy i lamy do Hanoweru, hipopotamy do Norymbergi, konie Przewalskiego do Wiednia, a rysie i zebry do Schorfheide.

Podczas wojny teren ogrodu zoologicznego było miejscem, w którym Jan i Antonina Żabińscy udzielali pomocy Żydom. Dzięki ich działaniom wojnę przeżyła m.in. rzeźbiarka Magdalena Gross. Na kanwie tej historii powstał amerykański film pt. Azyl. Na parterze i w piwnicach zachowanej modernistycznej willi Pod Zwariowaną Gwiazdą, w której mieszkali Żabińscy, znajduje się wystawa związaną z tymi wydarzeniami.

Decyzja o odbudowie zoo podjęta została w 1946 roku i od razu przystąpiono do odbudowy i remontu budynków oraz gromadzenia zwierząt. W lipcu 1948 zoo zostało ponownie otwarte – ze 150 okazami, pochodzącymi głównie z darów od osób prywatnych. Po szybkim rozwoju nastąpiła stagnacja, wobec podjęcia decyzji o przeniesieniu zoo poza granice Warszawy, co zaowocowało długoletnim niedoinwestowaniem.

W 1978 zoo liczyło ok. 2000 okazów zwierząt reprezentujących 380 gatunków. W latach 1970-1978 frekwencja wynosiła ok. 900 000 zwiedzających rocznie. W latach 80. XX wieku zoo znalazło się w planie inwestycyjnym miasta i nastąpiła poprawa – powstały nowe budynki i poprawiły się warunki bytowe zwierząt.

W 1997 został otwarty wówczas bardzo nowoczesny pawilon dla gadów (herpetarium). Pod koniec roku 1998 otwarto ptaszarnię wraz z azylem dla ptaków krajowych. 2 maja 2003 r. zakończyła się budowa słoniarni oraz budynków dla nosorożców. 14 stycznia 2006 r. otwarto pawilon dla bezkręgowców. 12 lipca 2006 r. wybieg dla jaguarów.

W 26 września 2008 został otwarty pawilon dla małp człekokształtnych. Wprowadzono tam: dwa goryle sprowadzone z Zurychu (Azizi został przywieziony do Warszawy 28 sierpnia, urodził się w 2000 roku.) oraz z Holandii (M’Tongé został przywieziony do Warszawy 3 września). W drugiej części budynku zamieszkują szympansy. Oba gatunki mają do dyspozycji wybiegi wewnętrzny i zewnętrzny.

10 kwietnia 2010 odbyło się uroczyste otwarcie nowego obiektu dla hipopotamów i rekinów w którym od marca przebywają rekiny (między innymi żarłacze czarnopłetwe) oraz hipopotamy: Hugo (3 listopada 2009 przyjechał z Ostrawy) z Anielą. W 2014 roku do zoo przyjechały niedźwiedzie polarne Gregor i Aleut.

W maju 2018 wybudowano nowe wejście do ogrodu od strony ul. Jagiellońskiej. W tym samym roku podjęto decyzję o rezygnacji z hodowli niedźwiedzi brunatnych, gdyż ten gatunek w skali Europy nie jest zagrożony. Trzy niedźwiedzice mieszkające na wybiegu przy al. „Solidarności” (Tatra, Sabina i Miała) nie będą miały następców, a wybieg po ich śmierci ma zostać przekazany miastu.