El Zoo de Madrid tiene su origen en la antigua Casa de Fieras del Retiro, fundada por Carlos III hacia 1770. Situada junto al Jardín Botánico, su finalidad principal era la exhibición de los animales que llegaban de las colonias americanas, completadas con algunos ejemplares de la fauna ibérica y otros pocos procedentes de Asia y Africa.
Tras la Guerra de la Independencia, la Casa de Fieras fue trasladada por Fernando VII hasta el lugar que ocupa en la actualidad, donde permaneció como el principal parque zoológico de Madrid hasta la inauguración del Zoo de la Casa de Campo.
El verdadero promotor y creador del nuevo Zoo de Madrid fue el ingeniero de caminos D. Antonio Lleó de la Viña, bajo cuya dirección y coordinación se construyeron las actuales instalaciones. Apartándose de los conceptos de falso naturalismo aplicados por otros zoos, se utilizó el cemento como material noble en un proceso de integración con el entorno y con los elementos de jardinería que lo adornan, en una mezcolanza estética que se va revalorizando con el paso de los años.
El actual Zoo de la Casa de Campo se inauguró en 1972, y desde entonces ha llevado a cabo una importante labor de estudio y conservación de las especies amenazadas de extinción en estado libre, además de enriquecer su colección gracias a regalos y donaciones de otros países. Desde 1987, además, el Zoo ha acrecentado espectacularmente su interés mediante la construcción de un gran Delfinario, dotado con las más modernas instalaciones para albergar tanto delfines como leones marinos. Tres mil personas pueden disfrutar de las exhibiciones de estos animales simultáneamente, y varios miradores de cristal hacen posible seguir sus evoluciones dentro del agua.
Dedicado a la fauna y la flora de los mares tropicales se incorpora el 16 de mayo de 1995 el Aquarium del Zoo de Madrid. Este acuario pertenece a los denominados "de nueva generación", que se caracterizan por su especializazión, y ocupa un área de 3000 metros cuadrados en la zona suroeste del recinto del Zoo.
En 1997 comienzan a ofrecerse la exhibición de vuelo libre de aves rapaces y exóticas en un gran aviario creado junto al Delfinario; igualmente el entrañable Zoo Chico que albergara especies semidomésticas, se convierte en la Pequeña Granja, un lugar dedicado a que los más pequeños conozcan la vida de las explotaciones rurales que tanto aportan a la vida cotidiana de las grandes ciudades.
El día 5 de junio de 2002, su Majestad la Reina Doña Sofía acompañada del Alcalde de Madrid, Don José María Alvarez del Manzano inauguran las Aulas de Educación Ambiental del Zoo Aquarium de Madrid que se integran en el nuevo Proyecto Educativo del Zoo de Madrid, consciente de la importancia que la educación tiene para cualquier institución que persiga objetivos de conservación e investigación. El mismo día, se abre al público el nuevo pabellón "Tierra de Gorilas" donde se proporciona al visitante un recorrido interactivo donde descubrir el mundo de los gorilas, su hábitat natural, su importancia en la comunidad científica y sus amenazas.
Dentro de los objetivos del Zoo encaminados al enriquecimiento ambiental de las instalaciones existentes para proporcionar a los animales una mejor calidad de vida, se reforma el complejo de Leones Marinos y se crea una nueva instalación de pingüinos que tiene lugar en el año 2003.
En el devenir más reciente se ha creado un nuevo complejo, anexo al pabellón de Pequeños Primates, que incorpora una especie muy querida por los niños como son los orangutanes. La instalación compuesta de parte exterior e interior permite a los animales suficiente espacio para albergar un grupo social completo y un ambiente social muy adecuado conforme a su etología.
Cabe destacar que en los últimos años el Zoo Aquarium de Madrid se ha incorporado a los Programas Internacionales de Conservación del Rinoceronte Indio y Koala, incluyendo animales de esta especie en su colección zoológica.