Việc xây dựng Khu liên hợp thể thao quốc gia bắt đầu vào năm 1963 và hoàn thành vào năm 1964.[3] Nhà thiết kế Vann Molyvann đã sử dụng các công trình đất khổng lồ để tạo ra sân vận động, đào 500.000 mét khối đất để định hình khu đất.[4]

Sân vận động có thể đã được xây dựng để tổ chức Đại hội Thể thao Bán đảo Đông Nam Á 1963, nhưng các môn thi đấu đã bị hủy do các vấn đề chính trị ở Campuchia. Ngoài ra còn có các đại hội GANEFO tồn tại trong thời gian ngắn, được tổ chức tại Phnôm Pênh, Campuchia vào ngày 25 tháng 11 − 6 tháng 12 năm 1966 và được đặt tên là 'GANEFO châu Á đầu tiên'. Sân vận động đã được chọn làm chủ nhà để xuất hiện bằng cách đến thăm các chức sắc và các dịp lễ của nhà nước, và là sân nhà của các đội tuyển điền kinh quốc gia Campuchia.[3]

Sân vận động đã đóng một phần nhỏ nhưng không thể thiếu trong Giải vô địch bóng đá thế giới 1966, khi CHDCND Triều Tiên đối đầu với Úc ở vòng loại khi hai đội châu Á/Châu Đại Dương còn lại[5]: vì CHDCND Triều Tiên không có quan hệ ngoại giao với hầu hết các nước và không có địa điểm đạt tiêu chuẩn FIFA vào thời điểm đó, trong khi luật nhập cư Úc có hiệu lực có nghĩa là đội tuyển CHDCND Triều Tiên sẽ khó có thể nhận được thị thực vào nước này, việc tìm một địa điểm phù hợp cho trận đấu tỏ ra khó khăn cho đến khi Người đứng đầu Nhà nước Norodom Sihanouk, một đồng minh của Kim Nhật Thành, thông báo cho FIFA các trận đấu có thể được tổ chức tại Phnôm Pênh.

Các trận đấu đã thu hút 60.000 và 40.000 người hâm mộ, với một nửa nghị định của Sihounouk sẽ cổ vũ cho Úc, trong khi nửa còn lại cổ vũ cho CHDCND Triều Tiên. Các trận đấu được tổ chức vào ngày 21 tháng 11 năm 1965 và ngày 24 tháng 11 năm 1965, với việc CHDCND Triều Tiên thắng cả hai (6–1 và 3–1). Bởi vì tất cả các đội tuyển châu Phi đã rút lui để phản đối FIFA từ chối phân bổ cho họ một vị trí trong vòng chung kết, Triều Tiên tự động đủ điều kiện cho vòng chung kết, nơi họ lọt vào tứ kết.[6][7]

Trong số các cơ sở có bể bơi kích thước Olympic để bơi và lặn[3] và một sân bóng chuyền trong nhà có sức chứa lên tới 8.000 người, hiện được gọi là Đấu trường trong nhà Sân vận động Olympic. Các bảng lặn và bể bơi đã được khôi phục vào năm 2017 sau nhiều năm không sử dụng, và hiện đang được công chúng yêu thích hàng ngày.

Trong thời kỳ Khmer Đỏ, sân vận động được sử dụng làm nơi hành quyết, nơi các quan chức của Cộng hòa Khmer trước đây do Lon Nol lãnh đạo đã bị giết.[8]

Trong những thập kỷ sau kỷ nguyên Khmer Đỏ, các cơ sở sân vận động rơi vào tình trạng hư hỏng. Năm 2000, tổ hợp sân vận động được phát triển lại bởi một công ty Đài Loan, Tập đoàn Yuanta, đã tân trang lại sân vận động và cũng tái phát triển các lô đất của khu liên hợp thành nhà chung cư và tài sản thương mại.[9][10]

Sân vận động đã trở thành một điểm thu hút phổ biến cho người dân Phnôm Pênh, những người tham dự các buổi tập thể dục hàng ngày, cũng như các trận đấu bóng đá và các hoạt động khác.

Vào tháng 5 năm 2007, ca sĩ người Ireland Ronan Keating đã biểu diễn trong buổi hòa nhạc tại Đấu trường trong nhà của sân vận động, buổi hòa nhạc đầu tiên của một nhóm nhạc quốc tế lớn ở Campuchia.[11][12]

Vào tháng 11–12 năm 2007, Tổ chức bóng chuyền thế giới cho Người khuyết tật đã tổ chức giải đấu thế giới tại Đấu trường trong nhà của sân vận động, sự kiện thể thao quốc tế lớn đầu tiên ở Campuchia trong hơn 40 năm.[13][14] Campuchia, được xếp vào hạt giống thứ tư, đứng thứ ba.

Vào năm 2010, sân vận động đã tổ chức tất cả các trận đấu bóng đá cho Giải Ngoại hạng Campuchia, được biết đến với mục đích tài trợ là Metfone C-League.

Vào năm 2015, sân cỏ của sân vận động đã được thay thế bằng sân cỏ nhân tạo.[15]

Đại hội Thể thao Đông Nam Á 2023 sẽ không được tổ chức tại Sân vận động Olympic, mà tại một sân vận động mới đang được xây dựng ở một khu vực khác của Phnôm Pênh, được gọi là Khu liên hợp thể thao quốc gia Morodok Techo.[16]