Trong suốt lịch sử của mình, Sân vận động Olimpico đã trải qua nhiều lần cải tạo.

1937, Sân vận động dei Cipressi

Trong giai đoạn đầu tiên, Sân vận động Olimpico được gọi là Sân vận động dei Cipressi. Sân được thiết kế và xây dựng trong dự án lớn hơn của Foro Mussolini (Diễn đàn Mussolini), đã được đổi tên thành Foro Italico sau chiến tranh.

Công việc xây dựng bắt đầu vào năm 1927 do kỹ sư người Torino Angelo Frisa và kiến trúc sư Enrico Del Debbio chỉ đạo. Việc xây dựng được hoàn thành vào năm 1932, sau một vài thay đổi so với kế hoạch ban đầu. Ví dụ, việc xây dựng các khán đài bệ xây không nằm trong kế hoạch ban đầu vì ban đầu, các khán đài bao gồm các sân thượng trồng cỏ.

Năm 1937, việc xây dựng cầu thang bậc hai được khởi công xây dựng nhưng bị gián đoạn vào năm 1940 do Chiến tranh thế giới thứ hai bùng nổ.

1953, Sân vận động dei Centomila

Vào tháng 12 năm 1950, địa điểm làm việc được mở cửa trở lại để hoàn thành sân vận động. Dự án được giao cho kỹ sư Carlo Roccatelli, một thành viên của Hội đồng Cấp cao về Công trình Công cộng. Ban đầu, kế hoạch dành cho một sân vận động có cấu trúc phức tạp hơn so với thực tế. Tuy nhiên, sự khan hiếm vốn và đặc điểm môi trường của khu vực đã dẫn đến một công trình ít tham vọng hơn. Sau cái chết của Roccatelli vào năm 1951, việc chỉ đạo công trình được giao cho kiến trúc sư Annibale Vitellozzi. Sân vận động hiện nay đạt sức chứa khoảng 100.000 người, do đó sân vận động được gọi là Sân vận động dei Centomila, cho đến khi được đổi tên cho Thế vận hội năm 1960. Công trình được khánh thành vào ngày 17 tháng 5 năm 1953 với trận đấu bóng đá giữa Ý và Hungary.

1960, Sân vận động Olimpico

Trong Thế vận hội Mùa hè 1960, sân vận động đã tổ chức lễ khai mạc và bế mạc cũng như các môn thi đấu điền kinh. Chỗ ngồi ở mặt đất đã bị loại bỏ với kết quả là sức chứa thực tế là 65.000 khán giả.[3] Sau đó, sân vận động đã tổ chức một số phiên bản của Giải vô địch điền kinh Ý, Đại hội Thể thao Sinh viên Mùa hè 1975 (sân vận động là địa điểm duy nhất cho Đại hội) và Giải vô địch điền kinh thế giới 1987. Nơi đây vẫn tổ chức các phiên bản thường niên của Golden Gala.

1990, tái cấu trúc và lợp lại sân vận động

Đối với Giải vô địch bóng đá thế giới 1990, nơi đây là sân vận động chính, cơ sở này đã trải qua một đợt cải tạo lớn. Trong khi công việc đó được tiến hành vào năm 1989, các đội Lazio và Roma phải chơi các trận Serie A của họ trên Sân vận động Flaminio. Công việc được giao cho một nhóm thiết kế bao gồm cả kiến ​​trúc sư gốc Annibale Vitellozzi. Từ năm 1987 đến năm 1990, kế hoạch xây dựng đã được sửa đổi nhiều lần, do đó chi phí tăng lên. Cuối cùng, Olimpico đã bị phá bỏ hoàn toàn và được xây dựng lại bằng bê tông cốt thép, ngoại trừ Tribuna Tevere được mở rộng với việc bổ sung thêm các bậc thang và các đường cong gần sân hơn chín mét. Tất cả các khu vực của sân vận động được phủ kín toàn bộ bằng màu trắng về cấu trúc. Ghế không lưng bằng nhựa màu xanh lam đã được lắp đặt và hai màn hình khổng lồ được xây dựng vào năm 1987 cho Giải vô địch điền kinh thế giới cũng được lắp bên trong đường cong. Cuối cùng thì phiên bản mới của Olimpico có sức chứa 82.911 chỗ ngồi. Đây là sân vận động thứ 14 trên thế giới về số lượng chỗ ngồi trong số các sân vận động bóng đá, thứ 29 trong số tất cả các sân vận động và thứ hai ở Ý, chỉ sau San Siro của Milano.

Sân vận động Olimpico là nơi tổ chức năm trận đấu mà đội tuyển bóng đá quốc gia Ý tham gia và trận chung kết giữa Tây Đức và Argentina. Tây Đức thắng chung cuộc 1–0.

Với cách bố trí tương tự từ năm 1990, Sân vận động Olimpico đã tổ chức trận chung kết UEFA Champions League giữa Juventus và Ajax vào ngày 22 tháng 5 năm 1996, chứng kiến ​​Bianconeri thắng trong loạt sút luân lưu.

2008, xây dựng lại sân vận động

Vào năm 2007, một kế hoạch lớn về việc thiết kế lại thiết kế bên trong của sân vận động đã được đưa ra để phù hợp với các tiêu chuẩn của UEFA cho trận chung kết UEFA Champions League 2009 được tổ chức tại Roma. Công việc được thực hiện và hoàn thành vào năm 2008. Nó bao gồm việc thiết lập các cấu trúc tiêu chuẩn với các cải tiến về an ninh, sửa chữa các phòng thay đồ và phòng họp báo. Nó cũng bao gồm việc thay thế tất cả các ghế, lắp đặt màn hình LED độ nét cao, dỡ bỏ một phần hàng rào plexiglas giữa khán giả và sân và giảm chỗ ngồi xuống còn 70.634 chỗ ngồi. Để nâng cao sự thoải mái cho khán giả, một phần của quá trình hiện đại hóa sân vận động bao gồm việc tăng số lượng phòng vệ sinh và sửa chữa nhà vệ sinh. Kết quả của những cải tiến này, Sân vận động Olimpico đã được xếp hạng là một sân vận động Ưu tú của UEFA.