თბილისის ზოოპარკი 1927 წლის 10 თებერვალს, კავკასიის ცხოველთა სააკლიმატიზაციო საზოგადოების ბაზაზე დაარსდა. საზოგადოება XX საუკუნის დასაწყისიდან ინახავდა ველურ ცხოველებს, თუმცა ზოოპარკის სტატუსი არ ჰქონდა.
ახლად დაარსებულ ზოოპარკს ქალაქის შემოგარენში, მდინარე ვერეს ხეობაში, 70 ჰექტარი ფართობი გამოეყო. ადგილმდებარეობა კარგად იყო შერჩეული – საუკეთესო მიკროკლიმატი იდეალურ პირობებს ქმნიდა ცხოველებისთვის.
ზოოპარკის პირველ დირექტორად გ. ა. ჰანსონი დაინიშნა. შეიქმნა შემდეგი განყოფილებები: კავკასიის, ანუ მხარეთმცოდნეობის, სსრკ-ის ფაუნის, ეგზოტიკური ცხოველებისა და სასოფლო-სამეურნეო ცხოველების.
1931 წელს ზოოპარკში პარაზიტოლოგიის ლაბორატორია და ზოოლოგიური მუზეუმი, ხოლო 1935 წელს ბიოლოგიური სადგური დაარსდა. 1938 წელს სადგური თბილისის სახელმწიფო უნივერსიტეტს გადაეცა.
თბილისის ზოოპარკს გარეული ცხოველებით „ზოოცენტრი“ ამარაგებდა, რომლის ფილიალებიც საბჭოთა კავშირის სხვადასხვა კუთხეში იყო გაფანტული.
ზოოპარკში სხვადასხვა დროს არაერთი ცნობილი მეცნიერი მუშაობდა, მათ შორის ცხოველთა ფიზიოლოგიის სკოლის ფუძემდებელი საქართველოში, აკადემიკოსი ი. ბერიტაშვილი.
2015 წლის 13 ივნისს დიდი ტრაგედია დატრიალდა. უეცრად მოვარდნილმა, ადიდებულმა მდინარე ვერემ ზოოპარკის 1/3 გაანადგურა. დაიღუპა სამი თანამშრომელი და 300-მდე ცხოველი.
ზოოპარკი სტიქიიდან სამ თვეში, 13 სექტემბერს გაიხსნა, თუმცა სრულ რეაბილიტაციას წელიწადზე მეტი დასჭირდა. აღდგა დაზიანებული ინფრასტრუქტურა, შენობები და ვოლიერები; განახლდა და გამდიდრდა ცხოველების კოლექცია.
2016 წელს, თბილისის ზღვის მიმდებარე ტერიტორიაზე, დაიწყო ახალი ზოოპარკის მშენებლობა. ტერიტორია ბიოგეოგრაფიული ზონირების შესაბამისად დაიყოფა: ევროპა და კავკასია, აფრიკის სავანა, ცენტრალური აზიის სტეპი და მთიანეთი, ტროპიკული აზია, ავსტრალია, სამხრეთ და ჩრდილოეთ ამერიკა. ახალი ზოოპარკის პირველი ვოლიერები გერმანიის მთავრობის დაფინანსებით აშენდა.
წლების განმავლობაში დედაქალაქის განვითარებამ, მოგვიანებით კი წყალდიდობამ, ძველი ზოოპარკის ტერიტორია მნიშვნელოვნად შეამცირა. დღესდღეობით მას 5 ჰექტარი უკავია. ახალი ზოოპარკის ფართობი 48 ჰექტარია.
ახალი ზოოპარკის მშენებლობის დასრულებამდე ცხოველების მონახულება ძველ ზოოპარკშია შესაძლებელი.