Ngày 23 tháng 3 năm 1864, Chuẩn đô đốc Pierre-Paul de La Grandière ký nghị định cho phép xây dựng Vườn Bách Thảo tại Sài Gòn. Ngay sau đó, Louis Adolphe Germain, một bác sĩ thú y của quân đội Pháp, được giao nhiệm vụ mở mang 12 ha trên vùng đất hoang ở phía đông bắc rạch Thị Nghè (Pháp gọi là Arrroyo d'Avalanche, lấy theo tên chiến tàu chiến đã vào rạch Thị Nghè để tấn công thành Gia Định) để làm nơi nuôi thú và ươm cây. Tháng 3 năm sau (1865) thì một số chuồng trại đã xây xong.

Để biến nơi này thành nơi nuôi trồng các loài động vật, thực vật của toàn Đông Dương; vừa để trưng bày, vừa để cung cấp cây giống cho Muséum national d'histoire naturelle và trồng dọc theo các trục lộ ở Sài Gòn; viên Thống đốc Nam Kỳ nhận thấy cần phải có người giỏi chuyên môn hơn, nên đã mời J.B. Louis Pierre, người phụ trách chăm sóc thực vật của Vườn bách thảo Calcutta (Ấn Độ), sang làm giám đốc vào ngày 28 tháng 3 năm 1865.

Cuối năm 1865, Vườn Bách Thảo được nới rộng đến 20 ha. Sang năm 1924, khuôn viên sáp nhập thêm bên bờ bắc rạch Thị Nghè 13 ha nữa; một cây cầu đúc được bắc qua rạch để nối liền hai khu vực hoàn thành năm 1927. Và cũng trong năm đó, nhờ sự vận động của một viên chức Pháp tại Nhật, chính phủ Nhật đã cung cấp cho Vườn Bách Thảo khoảng 900 giống cây lạ.

Ngày 15 tháng 12 năm 1867, Thống đốc De La Grandière ban hành nghị định số 183 nhằm chấn chỉnh tổ chức và điều hành Vườn Bách Thảo, đặt nơi đây dưới sự quản lý của Hội đồng thành phố Sài Gòn, với một ngân khoản điều hành 21.000 quan Pháp/năm, do ngân sách thuộc địa cung cấp.

Ngày 17 tháng 2 năm 1869, phó đô đốc G. Ohier, quyền Thống đốc Nam Kỳ, ký nghị định số 33 thành lập Ủy ban thường trực do Philastre làm chủ tịch, để giám sát việc chi tiêu tại Thảo Cầm Viên. Vào thời điểm này, chi phí hàng năm của Vườn Bách Thảo đã được nâng lên 30.000 quan Pháp/năm. Cũng theo nghị định trên, đúng ngày Quốc khánh của Pháp 14 tháng 7 năm 1869, Vườn Bách Thảo mở cửa thường trực cho công chúng vào xem.

Các đợt tu tạo

Năm 1924 - 1927: trải nhựa đường nội bộ trong khuôn viên, xây dựng các chuồng thú có quy mô lớn và kiên cố như chuồng lồng tròn để nuôi khỉ, chuồng cọp v.v...

Năm 1956: lại được tu sửa, tái thiết và đổi tên là Thảo Cầm Viên Sài Gòn.

Năm 1984: xây dựng mới nhiều hạng mục công trình, như: kè đá dọc kênh Thị Nghè, cải tạo hệ thống thoát nước và hệ thống dây điện trần, trải nhựa và bê tông đường nội bộ, xây dựng tường rào dọc đường Nguyễn Bỉnh Khiêm...

Đặc biệt là từ năm 1990, nhiều chuồng thú được cải tạo và mở rộng cho phù hợp với đời sống của từng loài thú, đã nâng tổng diện tích chuồng thú sau năm 1975 từ 8.500 mét vuông lên đến năm 2000 là 25.000 mét vuông.