กรีฑาสถานแห่งชาติมีต้นกำเนิดจากการแข่งขันกรีฑานักเรียน ซึ่งโดยปกติจะจัดขึ้นในสนามกีฬาของโรงเรียนสวนกุหลาบวิทยาลัย ต่อมาในปี พ.ศ. 2477 นาวาโทหลวงศุภชลาศัย อธิบดีกรมพลศึกษาคนแรก มีดำริในการจัดหาสถานที่ตั้ง สนามกีฬากลางกรมพลศึกษา, โรงเรียนฝึกหัดครูพลศึกษากลาง (ปัจจุบันคือ คณะพลศึกษา มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ) และ สโมสรสถานลูกเสือ (ปัจจุบันคือ ที่ทำการคณะลูกเสือแห่งชาติ) จนกระทั่งได้ทำสัญญากับจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย เพื่อเช่าที่ดินขนาด 77 ไร่ 1 งาน ที่ตำบลหอวัง บริเวณวังวินด์เซอร์เดิม เมื่อวันที่ 14 ธันวาคม พ.ศ. 2478 เป็นระยะเวลาทั้งสิ้น 29 ปี

ต่อมา เมื่อวันพุธที่ 10 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2480 เวลาเช้า มีพระราชพิธีก่อพระฤกษ์ (พิธีวางศิลาฤกษ์) โดยคณะผู้สำเร็จราชการแทนพระองค์[3] ขณะเดียวกัน ก็ให้ย้ายการแข่งขันกรีฑานักเรียน ไปจัดขึ้นที่ท้องสนามหลวงเป็นการชั่วคราว โดยในปีต่อมา (พ.ศ. 2481) กรมพลศึกษาจึงย้ายที่ทำการ เข้ามาอยู่ภายในบริเวณกรีฑาสถานแห่งชาติ การใช้สนามกรีฑาสถานเป็นครั้งแรก เกิดขึ้นเมื่อ พระบาทสมเด็จพระปรเมนทรมหาอานันทมหิดล พระอัฐมรามาธิบดินทร เสด็จพระราชดำเนินทรงเป็นองค์ประธาน ในพิธีเปิดการแข่งขันกรีฑาประชาชนชาย ประจำปี พ.ศ. 2481 ซึ่งเปลี่ยนสถานที่จัดมาจากท้องสนามหลวง

ทั้งนี้ สนามกรีฑาสถานจัดสร้างแล้วเสร็จพร้อมใช้งาน ในราวปี พ.ศ. 2484 ซึ่งประกอบไปด้วย สนามฟุตบอลพื้นหญ้าขนาดมาตรฐาน พร้อมลู่วิ่งรอบนอก, อัฒจันทร์ทิศตะวันตก จำนวน 20 ชั้น ตอนกลางมีที่ประทับของพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว พระบรมวงศานุวงศ์ หรือผู้แทนพระองค์ เบื้องหลังประดับตราพระมหาพิชัยมงกุฏและอุณาโลม พระราชสัญลักษณ์ประจำพระองค์พระมหากษัตริย์ไทย มีหลังคารูปเพิงแหงนไม่มีเสาค้ำปกคลุมตลอดแนว และอัฒจันทร์ทิศเหนือ จำนวน 20 ชั้นเท่ากัน ส่วนด้านนอกสนาม ที่ยอดเสามุมซ้ายขวาของมุขกลาง มีรูปปั้นนูนสูงขนาดใหญ่ เป็นภาพพระพลบดีทรงช้างไอยราพต สัญลักษณ์ประจำกรมพลศึกษา ส่วนริมสุดทางซ้ายขวา ขนาบด้วยหอคอยสองข้าง พร้อมประตูทั้งสองฝั่ง ทิศตะวันออกเรียกว่าประตูช้าง ทิศตะวันตกเรียกว่าประตูไก่ และมีห้องทำงานกับห้องน้ำอยู่ในช่วงเชื่อมต่อ ระหว่างมุขกลางและหอคอยทั้งสองข้าง ทั้งนี้ การก่อสร้างอัฒจันทร์ทิศตะวันออกและทิศใต้ ก็ดำเนินไปอย่างต่อเนื่อง จนแล้วเสร็จสมบูรณ์ตามมาในภายหลัง

ล่าสุด ในปี พ.ศ. 2551 มีการปรับปรุงบริเวณกรีฑาสถานแห่งชาติครั้งใหญ่ เนื่องในโอกาสครบรอบ 70 ปี ซึ่งประกอบด้วย ส่วนหน้าปะรำที่ประทับ ในสนามศุภชลาศัย ประดับด้วยพระบรมมหาราชวังจำลอง หน้ามุขทางขึ้น ตกแต่งคล้ายกับพระราชวังวินด์เซอร์ ที่สหราชอาณาจักร ปลูกต้นไม้รอบบริเวณสนาม ติดตั้งเก้าอี้บนอัฒจันทร์ทั้งหมด และปรับพื้นสนามหญ้าใหม่ ในส่วนสนามเทพหัสดิน อาคารกีฬานิมิบุตร และ อาคารจันทนยิ่งยง มีการปรับปรุงตกแต่ง ทาสี ติดตั้งเก้าอี้ ทำพื้นสนามหญ้า ตลอดจนปรับปรุงพื้นถนนภายในบริเวณกรีฑาสถานแห่งชาติทั้งหมด