Ý tưởng cho một sân vận động quốc gia mới ở Việt Nam đã được đánh dấu vào năm 1998 khi chính phủ tiến hành một nghiên cứu tiền khả thi cho một khu liên hợp thể thao quốc gia.[2] Vào tháng 7 năm 2000, Thủ tướng Việt Nam Phan Văn Khải đã phê duyệt một dự án của một sân vận động ở trung tâm của Khu liên hợp thể thao quốc gia Việt Nam để chuẩn bị cho việc tổ chức Đại hội Thể thao Đông Nam Á 2003. Bốn công ty, cụ thể là Hanoi International Group (HISG - Trung Quốc), Philipp Holzmann (Đức), Bouygues (Pháp) và Lemna-Keystone (Hoa Kỳ), đã tham gia đấu thầu xây dựng sân vận động. Quá trình này đã gây tranh cãi do vi phạm các yêu cầu kỹ thuật và tài chính trong hồ sơ dự thầu của HISG và Holzmann, các cáo buộc tham nhũng liên quan đến sự đóng góp của Pháp cũng như sự minh bạch trong việc ra quyết định của hội đồng.[3][4] Cuối cùng, HISG đã thắng thầu và ký hợp đồng cam kết vào ngày 14 tháng 8 năm 2001.

Xây dựng trên sân vận động bắt đầu vào năm 2002. Trong giai đoạn phát triển, sân vận động được gọi là Sân vận động Trung tâm. Sân vận động đã hoàn thiện về mặt kiến ​​trúc vào tháng 6 năm 2003. Vào tháng 8 năm 2003, sân vận động được đặt tên chính thức là Sân vận động Quốc gia Mỹ Đình, lấy tên của khu vực xã mà sân vận động được đặt trong đó. Nó được khánh thành vào ngày 2 tháng 9 năm 2003, trùng với ngày Quốc khánh của Việt Nam.[5]