สวนสัตว์ดุสิต อยู่ในอาณาบริเวณของ "วังสวนดุสิต" มาตั้งแต่ พ.ศ. 2441 เมื่อครั้งที่พระบาทสมเด็จพระปรมินทร มหาจุฬาลงกรณ์ พระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว รัชกาลที่ 5 ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้ซื้อสวนและนาในระหว่างคลองผดุงกรุงเกษม จนถึงคลองสามเสน ด้านตะวันออกถึงทางรถไฟ ด้วยเงินพระคลังข้างที่ ซึ่งเป็นพระราชทรัพย์ส่วนพระองค์ โดยพระราชทานชื่อที่ตำบลนี้ว่า "สวนดุสิต" (ราชกิจจานุเบกษา 7 มีนาคม รศ.117) ปัจจุบันเป็นที่ดินของสำนักงานทรัพย์สินส่วนพระมหากษัตริย์

18 มีนาคม พ.ศ. 2481 เทศบาลนครกรุงเทพ ขอพระราชทานพระบรมราชานุญาต ดัดแปลงบริเวณสวนสัตว์ดุสิต เป็นสวนสาธารณะเปิดให้ประชาชนได้ใช้เป็นที่พักผ่อนหย่อนใจ โดยมิต้องมีค่าเช่า และพระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าอาทิตย์ทิพอาภา ผู้สำเร็จราชการแทนพระองค์พระบาทสมเด็จพระปรเมนทรมหาอานันทมหิดล พระอัฐมรามาธิบดินทร มีพระมหากรุณาธิคุณโปรดเกล้าฯ พระราชทานให้เป็นสวนสาธารณะ และยังพระราชทานลูกหลานกวางดาวที่พระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาจุฬาลงกรณ์ พระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวทรงนำมาจากอินโดนีเซีย ที่เมืองบุยเตนซอค (Buitenzurg) เมื่อการเสด็จประพาสเกาะชวาครั้งหลัง พ.ศ. 2444 (ร.ศ. 120) และสัตว์อื่นอีก 2-3 ชนิด จากสวนกวางบริเวณพระที่นั่งอัมพรสถาน มาเลี้ยง

โอนกิจการสวนสัตว์ดุสิตของเทศบาลนครกรุงเทพ ซึ่งอยู่ในความควบคุมของกระทรวงมหาดไทย มาอยู่กับองค์การสวนสัตว์ในพระบรมราชูปถัมภ์ (พระราชกฤษฎีกาจัดตั้งองค์การสวนสัตว์ พ.ศ. 2497)

พระบาทสมเด็จพระมหาภูมิพลอดุลยเดชมหาราช บรมนาถบพิตร ทรงรับองค์การสวนสัตว์เข้าไว้ในพระบรมราชูปถัมภ์ เมื่อ 15 พฤศจิกายน พ.ศ. 2506 จากการขอพระราชทานพระบรมราชวโรกาสกราบบังคมทูลพระกรุณา ขอพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ของพลโท บัญญัติ เทพหัสดิน ณ อยุธยา ประธานกรรมการ และผู้อำนวยการองค์การสวนสัตว์