Московский зоопарк был организован Русским Императорским обществом акклиматизации животных и растений и торжественно открыт 31 января 1864 года (по новому стилю — 12 февраля). Одним из главных инициаторов его создания стал профессор Московского университета Анатолий Петрович Богданов. Он называл зоосад «живым музеем на открытом воздухе». Архитектором первых построек зоосада являлся П. С. Кампиони. Первым инспектором (директором) зоосада стал профессор Я. Н. Калиновский.

Не имея полноценной государственной поддержки, зоосад с первых же лет оказался в тяжелом материальном положении. Выручка от входной платы, пожертвования Императорской семьи и частных лиц не покрывали расходы зоосада на закупку содержание животных, строительство и ремонт сооружений. Пытаясь поправить бюджет зоосада, Общество акклиматизации продало за границу многих животных, в результате чего обеднела экспозиция и упала посещаемость. В 1874 году зоосад был передан Обществом в аренду на несколько лет частному предпринимателю А. А. Рябинину, в результате чего к 1878 году сад пришел почти в полный упадок.

В 1880-е — 1890-е годы положение выправилось благодаря пожертвованиям частных лиц, умелой и самоотверженной работе А. П. Богданова, А. Н. Маклакова, В. В. Попова, В. А. Вагнера, Н. М Кулагина и многих других видных членов Общества акклиматизации. И все же к 1900 году долги зоосада составляли огромную по тому времени сумму 100 000 руб.. В 1903 году Общество вновь передает зоосад в аренду — тогдашнему директору сада И. А. Антушевичу, и опять это лишь ухудшает состояние дел. Во время исторических событий 1905—1907 годов зоосад оказался в центре революционных боев и сильно пострадал: был разрушен недавно построенный Аквариум, сожжены многие деревянные здания, сгорели архивы и библиотека, погибли многие животные. В 1913 году зоосад серьезно пострадал от наводнения. Но особенно тяжелым испытанием стали первые годы после Октябрьской революции, когда от полного уничтожения зоосад был спасен «только благодаря энтузиазму, самоотверженности и любви к животным его сотрудников».

Ключевым событием, определившим всю последующую историю Московского зоологического сада, стала его национализация декретом Совета народных комиссаров от 27 марта 1919 года. Сначала руководство зоосадом было возложено на Главное управление научными учреждениями Наркомпроса, но в ноябре 1923 года зоологический сад был передан в ведение Моссовета и включен в городской бюджет. Директором сада был назначен биолог М. М. Завадовский, который вскоре пригласил на работу П. А. Мантейфеля. Городские власти стали выделять значительные средства на ремонт, закупку кормов и пополнение коллекции животных.

В 1924 году по ходатайству Завадовского городские власти передали зоосаду расположенный по соседству земельный участок (так называемый Морозовский парк) площадью 12 га, что увеличило общую площадь зоосада до 26 га. В соответствии с концепцией градостроительного плана «Большая Москва» территорию расширили до Садово-Кудринской улицы, а на соседнем участке в 1927—1929 годах выстроили планетарий, который с новой территорией зоопарка связали лестницами. В 1925—1927 годах на Новой территории зоопарка по проекту архитектора К. К. Гиппиуса соорудили искусственные возвышенности — «Остров зверей» и «Турью горку», построили обезьянник и павильон «Полярный мир».