Công việc xây dựng Astana Arena được bắt đầu vào năm 2006. Vào ngày khánh thành chính thức, sân được đặt tên là Sân vận động Kazhymukan để vinh danh đô vật nổi tiếng Kazhymukan Munaitpasov. Sau đó, sân vận động được đổi tên thành Astana Arena như hiện nay.[4] Sân vận động được thiết kế bởi các kiến trúc sư thể thao hàng đầu Populous kết hợp với Tabanlıoğlu Architects.[3] Đấu thầu chính là Sembol Construction. Sân đã được khánh thành bằng trận đấu giữa Lokomotiv Astana với đội tuyển bóng đá U-21 quốc gia Kazakhstan vào ngày 3 tháng 7 năm 2009. Trận đấu được bắt bởi trọng tài nổi tiếng người Ý, ông Pierluigi Collina, cú đánh đầu tiên mang tính biểu tượng vào quả bóng dưới tiếng còi của ông đã đánh vào Tổng thống Kazakhstan Nursultan Nazarbayev. Là một phần của mỗi đội, ngoài các cầu thủ thường xuyên của họ, được mời vào hai "ngôi sao": trong đội tuyển trẻ quốc gia Kazakhstan - hậu vệ người Gruzia Kakha Kaladze và tiền đạo người Ukraina, Andriy Shevchenko, và ở Lokomotiv Astana - cầu thủ người Thổ Nhĩ Kỳ Hasan Şaş và Hakan Şükür.[4][8]

Vào ngày 14 tháng 10 năm 2009, sân vận động đã tổ chức trận đấu quốc tế chính thức đầu tiên: đội tuyển bóng đá quốc gia Kazakhstan gặp đội tuyển bóng đá quốc gia Croatia trong khuôn khổ vòng loại World Cup 2010. Đội khách thắng 2–1, với bàn thắng quyết định chỉ được ghi ở phút bù giờ.[9]

Vào ngày 31 tháng 1 năm 2011, Astana Arena đã tổ chức lễ khai mạc Đại hội Thể thao Mùa đông châu Á lần thứ 7[10][11] và Giải thưởng Kênh truyền hình Muz-TV được tổ chức bên ngoài Moskva lần duy nhất.[12]

Vào ngày 27 tháng 6 năm 2017 và ngày 29 tháng 6 năm 2019, các ngôi sao thế giới Dimash Kudaibergen "Bastau" và "Arnau" đã biểu diễn trong các buổi hòa nhạc,[13][14][15] thu hút 30 và 40 nghìn khán giả. 13,5 nghìn khán giả từ 65 quốc gia trên thế giới đã tham dự buổi hòa nhạc "Arnau".[16]

Vào tháng 2 năm 2020, mái kính chèn của Astana Arena đã sụp đổ dưới sức nặng của băng tuyết nặng hàng tấn; cuối cùng mái rơi vào hội trường. Rất may không ai bị thương.[17][18]