Стадион был построен в августе 1928 года специально для первого в СССР крупного спортивного форума — Всесоюзной Спартакиады. Соревнования были приурочены к празднованию 10-летия советской власти.
Изначально арена, построенная по проекту Аркадия Лангмана и Леонида Чериковера, имела только три трибуны и форму подковы, закрытой к Ленинградскому проспекту и открытой к Петровскому парку. Восточная трибуна была построена в 1936 году, когда стадион «Динамо» принял матчи первого чемпионата СССР.
После этого вместимость стадиона увеличилась до 54600 человек, и до 1956 года, когда были построены «Лужники», арена в Петровском парке была главной в стране. Первые международные матчи прошли на «Динамо» в 1937 году, когда московские «Динамо», «Локомотив» и «Спартак» провели серию встреч со сборной Страны басков.
Арена в Петровском парке была одной из главных на футбольном турнире Олимпийских игр 1980 года. Именно на «Динамо» сборная СССР завоевала бронзовые медали Олимпиады, победив в матче за третье место команду Югославии со счетом 2:0. В последний раз олимпийская сборная СССР сыграла на «Динамо» 24 сентября 1991 года в рамках отборочного турнира Игр-1992 в Барселоне. Тогда советские футболисты обыграли команду Венгрии со счетом 2:0.
В 1998 году стадион пережил масштабную реконструкцию. Тогда деревянные скамейки были заменены пластиковыми креслами, а вместимость уменьшилась до 36 тысяч человек.
На стадионе «Динамо» был проведен ряд матчей сборной России. В июне 1999 года российская сборная в рамках отборочного турнира Евро-2000 одержала на Петровском парке непростую победу над командой Исландии со счетом 1:0, через четыре дня после яркой победы в матче со сборной Франции на «Стад де Франс» (3:2). А 6 октября 2001 года россияне на «Динамо» оформили выход в финальную часть чемпионата мира-2002, разгромив команду Швейцарии со счетом 4:0. В той игре хет-триком отметился нападающий Владимир Бесчастных.
В 2017 году стадион претерпел очередную обширную реконструкцию. В результате были обновлены фасад, крыша, трибуны и оснащение стадиона. Сейчас он служит домашней ареной для футбольного и хоккейного клуба «Динамо». После реконструкции был открыт музей «Динамо».
В рамках 95-летия стадиона будет организован ряд спортивных мероприятий.
