Bắt đầu xây dựng vào tháng 3/1864 trên một khu đất rộng 12ha nằm cạnh sông Rạch Lăng (phía đông bắc Sài Gòn) do một chuyên viên khảo cứu thực vật nhiệt đới người Pháp là ông J.B.Louis Pierre phụ trách. Công trình hoàn thành vào năm 1865, trong đó trồng nhiều loại cây quí ở trong nước và trên thế giới, nhập từ ấn Độ, Thái Lan, Lào, Căm-pu-chia như cacao, cafe, vani, một vài giống mía gọi là Jardin Acclimater... Nhiều loại động vật lạ và qúi hiếm được đưa về nuôi ở đây và nơi đây được gọi là Sở thú.

Đến năm 1924, Sở thú được mở rộng thêm 10 ha. Ngày 27/11/1927 Pháp cho xây dựng Viện Bảo tàng Blanchard de la Bross trong khuôn viên Sở thú theo thiết kế giống tháp cung điện mùa hè Bắc Kinh.

Năm 1929, Pháp cho xây Temple Du Souvenir có kiến trúc giống như đền thờ lăng tẩm Huế. Trên lầu có thư viện khá rộng. Năm 1956, chính quyền Sài Gòn cho tu sửa và thiết kế lại, viện bảo tàng Blanchard de la Bross được đổi là Viện Bảo tàng Quốc gia Sài Gòn, sở thú đổi là Thảo Cầm Viên.

Từ năm 1989, chuồng trại được cải tạo và mở rộng cho thích hợp với đời sống sinh thái của từng loại thú. Diện tích chuồng trại là 21.352m2. Năm 1990, Thảo Cầm Viên là thành viên chính thức của hiệp hội các vườn Đông Nam Á. Năm 1991, khu hoa viên trong Thảo Cầm Viên được thiết lập lại sau nhiều năm bị bỏ hoang. Sau hơn 130 năm xây dựng, Thảo Cầm Viên đã trở thành một vườn thú lớn của cả nước với 590 đầu thú thuộc 125 loài; thực vật có 1.800 cây gỗ thuộc 260 loài, 23 loài lan nội địa, 33 loài xương rồng, 34 loại bonsai và thảm cỏ xanh trên diện tích 20ha, chia ra làm nhiều khu: khu nuôi cầm thú, khu cây cảnh và phong lan, khu vui chơi... Thảo Cầm Viên hàng ngày đón hàng nghìn lượt khách đến tham quan.