Одеський зоопарк був заснований у 1922 році. Його засновник – Генріх Бейзерт, доклав багато зусиль, щоби в Одесі з’явився зоологічний парк. Тоді зоопарк розташовувався у Нижньому саду Воронцовського палацу, неподалік морського порту. До революції це було одне з найкрасивіших місць Одеси. Перша колекція налічувала близько двох десятків видів тварин. 

На своєму нинішньому місці, за адресою вул. Новощіпний Ряд, 25, зоопарк був організований у 1937 році.

У період окупації Одеси (жовтень 1941-квітень 1944) під час Другої Світової війни зоопарк було закрито на консервацію. Евакуювати тварин можливості не було. Щоб нагодувати тварин зоопарку Генріх Бейзерт відкрив трикотажну майстерню, прибутки від якої йшли на закупівлю кормів для тварин. Вже за два дні після звільнення Одеси від фашистських окупантів, 12 квітня 1944 року, зоопарк відновив свою діяльність. У колекції на той момент містилося 500 експонатів: 30 видів ссавців, 21вид птахів і 1 вид плазунів.У 1983 році Одеський зоопарк набув статусу об’єкта природно-заповідного фонду України загальнодержавного значення. 

У 1987 році було відкрито Акватераріум зоопарку.  Починаючи з кінця 80-х та у 90-х роках було проведено повну реконструкцію центрального входу до зоопарку, впорядкована зелена зона, збудований новий адміністративний корпус. Здійснено реконструкцію експозиції водоплавних птахів, закінчено реконструкцію слоновника, літніх вольєрів копитних тварин, збудований віварій.

У 2007-2009 роках з’явилися експозиції “Сільський двір”, “Будинок пеліканів”, вольєри для журавлів.

У 2013 році Одеською міською радою була затверджена Програма розвитку та реконструкції Одеського зоопарку «Зоопарк-100». У рамках цієї програми з 2012 по 2017 роки нові вольєри отримали європейські вовки, амурські тигри, бурі ведмеді. Переведено до нового приміщення віварій зоопарку. У 2020 році побудована нова вхідна група з боку парку Преображенський, яка стала Центральним входом до зоопарку. Спеціалізація зоопарку: «Утримання, розведення та реінтродукція в природу рідкісних і зникаючих тварин Півдня України».

Колекція зоопарку станом на 1 січня 2022 року налічує 231 вид тварин (1754 екземпляри). З них 23 види занесені до Червоної книги України, 29 видів  – до Червоної книги Міжнародного Союзу Охорони Природи). Серед зоопарків України Одеський зоопарк має найбільшу колекцію хижих птахів. Більшість із них занесені до Червоної книги України.

Згідно зі спеціалізацією, вже кілька років у зоопарку працює програма “Пугач”. Її мета – створення на Півдні України сталої популяції цього колись численного хижака. З 2010 до 2021 року в природу було випущено понад 20 птахів, народжених в Одеському зоопарку. Випуск птахів здійснювався на територіях Нижньодністровського національного природного парку і Дунайського біосферного заповідника. Декілька птахів були позначені трекерами, що дозволяли відстежувати їхнє переміщення.

Одеський зоопарк – єдиний в Україні, де успішно розмножувалися азіатські слони, рідкісний вид, занесений до Червоної книги МСОП. 

У 2020 році У Центрі розмноження хижих птахів та сов зоопарку було отримано приплід орла могильника (Красная книга IUCN (VU), Червона книга України), рідкісний випадок розмноження виду у неволі.