北京动物园的历史可追溯到清朝光绪三十二年（1906年）。当时被称为“万牲园” 。它的前身是清农工商部农事试验场，试验场是在原乐善园、继园（又称“三贝子花园”）和广善寺、惠安寺旧址上所建。初衷是为学习西方先进经验，“开通风气，振兴农业”。
建成后的农事试验场占地面积约71公顷，除有不少精美的建筑物外，还设有试验室、农器室、肥料室、蚕室、温室、农夫住宅等。对各类农作物分为五大宗进行试验，分别为“谷麦试验、蚕桑试验、蔬菜试验、果木试验、花卉试验。附设的动物园面积仅占1.5公顷（即今北京动物园东南隅），最初展览的动物是南洋大臣兼两江总督的端方，自德国购回的部分禽兽及全国各地抚督送献清朝政府的动物约百余种。植物室内建有温室，并展出各种奇花异卉。 光绪三十四年（1908年）6月16日，农事试验场全部竣工，开放接待游人。
门票售价为铜元八枚，孩童、跟役减半。如需到动物园和植物园参观要另买票，动物园票价为铜元八枚，植物园票价为铜元四枚。在农事试验场的正门外东西两旁，各设有小屋一间；东边一间是售票处，有两个窗口，分别为南窗、西窗；南窗卖男客票，为白色；西窗卖女客票，为红色。西边一间是寄存物件处，如有大件、要件不便带入场中的，可以寄存此处。游人入场由东门进，分男左女右。进门后，有人验票、剪票。由于农事试验场所处之地，交通十分便利，又是京师第一座集动物、植物为一体的，带有公园性质的农事试验场，故开办之初，人流不断，十分热闹，甚至慈禧、光绪也两次来园观赏。农事试验场之名，很快盛传京师。
东区狮虎山
北京动物园狮虎山建于1956年，是北京动物园的标志性建筑之一。在照相机在中国属于高档消费品的时代，许多人在动物园的纪念照都是以狮虎山为背景的。狮虎山的建筑被装饰成独特的山型结构，进入馆舍参观有如进入神秘的山洞，连接室外活动场和室内动物馆舍的通道也设计成山洞的形式，这种设计不仅有很好的视觉效果，而且可以避免冬季寒风直接吹入展厅内部。狮虎山内饲养了包括非洲狮、白狮、孟加拉白虎、东北虎在内的多种大型猫科动物。过去，每逢假日，饲养员会向笼中投放活鸡，以此来训练动物的野性。2009年，在狮虎山的北侧竖起一座虎的铜雕，由雕塑艺术大师袁熙坤先生历时两年创作而成，名为“山君”。老虎长19.48米、高9.18米、重30吨。这也是北京动物园里第一座大型动物雕塑。
熊山
北京动物园熊山位于动物园东北角，原址为稻田，1952年动工兴建熊山，占地面积4275平方米，原由黑熊和白熊两个下沉式露天馆舍组成，白熊山位于东侧，内有假山和水池。黑熊山位于西侧，分南北两个部分，南侧场地较大，有假山和水池，内为棕熊。北侧场地较小，仅有水池一座，内为黑熊。因2007年修建高架桥将黑熊山拆除，白熊现未对公众展览，原白熊山仍对外开放，内饲养棕熊及黑熊。
白熊馆
白熊馆在原黑熊山位置修建，2012年9月底建成开放。占地约8000平方米，建筑面积约4000平方米，分为游人景观参观廊和室内参观展厅；动物室内展厅和室外展示运动场；动物兽舍和饲养操作区；配套卫生间和多功能参观展厅等四个区域。在480平方米的室内展厅中央，有一个面积约两平方米的圆形凸起物，这是一个制冰机，为北极熊提供真正的冰面小憩地。正对玻璃墙的墙面上，有一块长12米、高4米的背景银幕。园方利用展厅上方悬挂的投影设备，在银幕上放映北极冰川、北极光和动物的科普影片。室内展厅和两个室外展示运动场各有一个水池供北极熊游玩。3个水池总储水量为500立方米，为保证水质、节约用水，北京动物园设置了3套水处理系统，净化自来水并循环使用，耗资约80万元。白熊馆的建成开放标志着2006年为展西路工程让路的3个动物馆舍全部复建完成。
猴山
北京动物园猴山位于动物园东南侧，是动物园现存历史最悠久的馆舍，也是现存唯一一个兴建于1949年以前的馆舍。猴山位于园的东部，占地面积约1000平方米，为下沉式结构，场馆中央用山石堆积成两座假山，之间悬挂软梯、轮胎等游乐设施。外围椭圆形的围墙，围墙高3.1米，从假山到围墙的距离为5.9米。在北侧的围墙处，有一空间，可供猴群在恶劣的天气里遮风避雨。1986年和1993年，两次对猴山进行维修和改造，加固山石，接通上、下水。因不时会发生顽皮、健壮的成年猴子，借山石之力跃出猴山，为此，沿墙壁设置低压电网，并根据猴子对色彩的不同反映，在电网处涂上红、白两种颜色，以引起猴子的警觉。
夜行动物馆
北京动物园夜行动物馆于1988年11月正式开馆。它位动物园正门偏东北约50米。该馆为一东西长、南北宽的矩形建筑，它的东面为出入口，南、北、西为动物展舍。其中南北两侧还设有外运动场。本馆展示的主要是昼伏夜出的小型杂食性动物。馆内有展舍22间，采用人工控制灯光照明。每日早8点至下午5点用红光照明，用来模拟夜间环境，使夜行性动物夜间的活动情况呈现在广大参观者面前。
猫科动物馆
原中型猛兽区位于熊山北侧，始建于1984年，建筑面积1277平方米。展览朝鲜豹、雪豹、云豹、黑豹、猞猁等中型猛兽，2007年因修建高架桥拆除。后重新修建猫科动物馆。新猫科动物馆建筑面积约3200平方米，其中动物展厅面积800平方米，运动场面积600平方米，游人参观厅面积1000平方米，动物饲养兽舍面积300平方米。
改建后的猫科动物馆分为热带雨林区、温带森林区、稀树草原区和高山动物区四个展区，除此以外还设立了一个约500平方米的动物科普博物馆。此次设计，打破常规，推翻了传统的单层平房式兽舍设计思路，提出了局部二层立体空间式兽舍及游人参观道结合的设计理念。展区内设有独立的兽舍和动物运动场及室内展厅，展馆间有室内和室外游客通道相连。在参观路线设置上将动物展示、科普展示和游客互动相结合，依次呈现在游客面前，这样一来不仅大大的提高了游客参观的兴趣，同时增加了参观形式的多样性。
新建的猫科动物馆将兽舍地面提高，兽舍也由铁丝网换成了玻璃幕墙。热带动物展区顶部采用了球形网架设计；为增加新馆的采光度，顶层增加了透光窗；室内展厅装饰以热带雨林藤蔓结构为主，仿真树、岩石、壁画、雕塑浑然一体，LED节能灯、人造光纤和仿生音效相结合。还为方便残疾人参观，安装了一部残疾人专用电梯。在馆舍布置上，根据各种猫科动物的生活习性和饲养方式，一层设有八间兽舍和运动场，主要饲养豹猫、狞猫、猞猁、美洲豹、美洲狮、黑豹；二层设有四间兽舍和运动场，主要饲养华南豹、朝鲜豹，每间兽舍都有相对应的室外运动场。并单独设立了不对游人开放的三间治疗兽舍和室外运动场，作为动物的休养饲养兽舍。在场馆的南侧单独设有猎豹露天展区。
雉鸡苑及育幼室
北京动物园雉鸡苑建成于1983年11月。原计划1974年建成，因受当时资金限制，延误竣工。建筑风格与以往不同，为开放式兽舍群，分为东、西院两组建筑，东院一组由兽舍和曲廊与西院一组相连。整个兽舍群由橱窗式展舍与带活动场的兽舍组成。东院有一组7间橱窗式展舍，在院的南内侧；另有20间带室外活动场的兽舍，兽舍内有操作廊。西院有两组橱窗式展舍，东边一组7间，西边一组6间，另有16间带室外活动场的兽舍。1984年1月对外开放时，展出青鸾、大凤冠雉、棕尾火背鹇、绿尾火背鹇、秃顶珠鸡等珍稀动物。在北京动物园饲养展出半个世纪的神鹰，生前即在这里展出。2000年，雉鸡苑的东院部分被改建为育幼室。
熊猫馆
北京动物园熊猫馆是1990年作为第十一届亚运会献礼工程兴建的，造型独特，曾入选当年度“北京十大建筑”和“北京市优质建筑”，但实际上熊猫馆建筑质量非常一般，使用十年之后就已经开始出现漏雨问题。熊猫馆总占地面积1万平米，建筑面积1452平米，主体建筑呈盘绕的竹节形状，有11道半圆形的拱圈沿竹节延伸的方向分布，象征第十一届亚运会，东南侧为馆舍参观入口，西北侧为通向室外活动场的出口，室内共有三个公开展室，参观大厅顶部用悬吊12个玻璃钢大球，以调节室内音响效果，功能性区块包括隔离间、治疗间、饲料间、鲜竹储存间、产房、饲料制作间、电视监控室等均设在半地下，熊猫的室外活动场地自然起伏，设有木质栖架和游乐设施。熊猫馆周围绿化以竹为主，通向熊猫馆步道装饰有黑白两色鹅卵石。
金丝猴馆
西靠猩猩馆，东邻黑水洋，环境优雅，南北地势平坦开阔。占地面积1000平方米，建筑面积500平方米，室外运动场面积320平方米。金丝猴馆以饲养流线为主轴，两侧为兽舍与服务性房屋。兽舍隐蔽于假山之中，两个半圆形网笼相错构成动物室外活动场，场内山石、栖架供金丝猴上下攀跃，既满足饲养管理的需要，又便于游人观赏，形成北京动物园西部独特的参观游览景区。
两栖爬行馆
北京动物园两栖爬行动物馆位于动物园西南部，紧邻鬯春堂，建于1979年，建筑面积4345平方米，曾经是北京动物园设施最好的馆舍之一。两爬馆分上下两层（由于改建现地下一层暂时停止展览），设计有展厅、参观廊、室、操作廊间、饲料饲养间等功能区块，馆内设置大小不一的展室90余个，展示蛇的展厅面积则不足1平方米。门厅左侧展示鳄、龟、鳖等爬行动物，最大的一间鳄鱼展室就位于此，门厅右侧楼下展示两栖动物，楼上展示蛇类，右侧展厅中央是饲养和展示网蟒的蟒蛇展厅，展厅贯通上下两层，厅中央用混凝土铸造了一棵假树供蟒蛇攀援，厅内有空调系统和湿度调节系统，这在1970年代的中国是非常先进的。两爬馆馆外西侧有三个室外活动场，与馆内鳄鱼展室相连，活动场用鳄鱼、青蛙等动物雕塑装饰。
猩猩馆
北京动物园大猩猩馆新馆建于1987年。该馆占地面积8000平方米；建筑面积1430平方米；室外运动场面积3600平方米；工程总造价达420万元。饲养展出黑猩猩，曾饲养展出过“尼奥尔”、“阿蔻”、“蕾妮亚”、“吉郎”四头大猩猩。建筑面积比旧馆增加了近2倍，展舍内建有猩猩日常活动的山石、栖架，背景绘有猩猩野外生活的壁画，展窗玻璃采用大尺寸34毫米厚的复合玻璃，保证捶击安全。室外运动场有山石、水池等运动设施和围栏，展室与室外运动场有地廊作为通道，串笼闸门为手摇机械门，人与猩猩不直接接触，保证了饲养人员的安全。
长颈鹿馆
北京动物园长颈鹿馆1957年8月竣工。该馆位于动物园长河以南，是动物园西部最高的馆舍。该馆为砖混结构的单层尖顶建筑，颇具欧洲风格，最高处8.9米。中央参观大厅跨度为5米，长20米。长颈鹿馆的兽舍面积约200多平方米，共分7间，动物与游人近在咫尺仅以一网隔开，展览效果极好。紧傍兽舍的5间室外运动场总面积达3000平方米以上，运动场之间以栏杆相隔，饲养员可以根据不同的需要把动物分布于各个运动场。运动场外环绕着宽2.5米的参观通道，为保证安全，除网外有栏杆与游人相隔外，网下还砌有60厘米高的矮墙，这大大提高了安全系数。为了照顾长颈鹿特殊的身体特征，本馆不论馆舍还是栖棚都建得高高大大的，给人一种挺拔向上的感觉。
鹿苑
北京动物园鹿苑位于园的西北侧，占地面积1.5万平方米。兽舍建筑面积1475平方米，活动场面积12468平方米。1982年12月动工兴建，1984年8月竣工。6种36只鹿科动物由原草原动物苑迁入。苑内分甲、乙、丙、丁、戊五个展区，根据不同动物的生活习性、地理环境建造。苑的中心区建有一个二层楼的工作间，在楼上可以观察到整个鹿苑内动物的情况。其它四个区有的连成小院，有的是松散形，都有工作间。兽舍多为棚子式，为动物避雨、雪用。少数动物如扭角羚、麝牛有兽舍。活动场外为0.8～1米的水泥墙，上围铁栏杆。栏杆的疏密程度不同。
羚羊馆区
北京动物园新羚羊馆于1997年9月竣工。新羚羊馆东临小动物爱心俱乐部，西临羚牛区。该馆为水泥结构建筑，外观为东西长合状。中间主体建筑为室内兽舍组成。室内从东至西有两米宽通道，通风较好。室外为南北围栏式动物运动场，室内主体建筑高6米多，20间室内动物兽舍，一大间为24平方米，中间有隔断推拉门，又分为12平方米一间，做为对动物的临时隔离和串间使用。兽舍内设有动物食水、槽, 设上下水, 供动物饮水、饮食之用。动物兽舍每间还设有供暖设备。在围栏内分大小12个运动场，每个运动场在50-30平方米不等。在运动场铁围栏亦装遮阴避雨栅栏及部分草架子。
北区犀牛河马馆
北京动物园犀牛河马馆位于长河北岸，建于1992年至1994年，内有白犀牛、独角犀及河马，并设有餐厅。旧河马馆位于水禽湖西部。北京动物园大象馆位于长河北岸，建于1996年至1998年间，东部展览亚洲象，西部展览非洲象。馆外有活动区。旧象房位于猴山北侧，70年代曾因展览斯里兰卡总统班达拉奈克夫人赠送的亚洲象“米杜拉”而闻名。其他馆舍鹰山，北京海洋馆，极地动物馆（尚在规划中）。
