民国十七年（1928年），国民政府在南京玄武湖设立“动物苑”，侵华日军占领南京后，动物苑在战火中被毁。

民国三十六年（1947年）7月，南京市国民政府通过了《南京市动植物园筹备委员会组织章程》，决定成立筹委会。

民国三十七年（1948年）6月8日，南京市国民政府审查批准了《南京市动植物园筹备委员会组织章程》草案。

1954年1月，玄武湖动物园在位于玄武湖公园的菱洲建成；同年5月18日正式对外开放。

1955年至1980年，玄武湖动物园进行扩建，先后建成猴山、水族馆、小兽舍、鳄鱼池、猛兽馆、鸣禽馆、熊山、熊猫馆、长颈鹿馆、猩猩馆以及和平亭等馆舍。

1993年，玄武湖动物园从锦州、包头引进海豹、猞猁、驼羊、野驴等动物。至1993年底，玄武湖动物园已成为东北虎和赤、灰袋鼠繁殖基地之一。

1998年9月28日，玄武湖动物园搬迁至红山公园，更名为南京市红山森林动物园。

1999年8月，南京红山森林动物园建成鸟类生态园，园内建有飞禽天地、孔雀园、科普馆、鸟艺剧场、假山、人鸟交流、儿童乐园等诸多设施。

2009年10月，国际交流合作领域扩展至动物展区设计，由香港金鸟基金会首席执行官carin harrington（金龙）博士主导设计，澳洲动物展区建成并开放。

2011年，南京红山森林动物园成为中国第一家取消动物表演的动物园。

2014年，南京红山森林动物园取消供游客投喂动物的饲料销售项目。

2018年1月，南京红山森林动物园进行改造提升，园内增设冈瓦纳、非洲等展区，并面向小红山客运站新建南大门，同时依托园内山体改建了熊谷、虎园等。同年，南京红山森林动物园成功引进考拉。

2020年，南京红山森林动物园受疫情影响闭园51天。同年2月，南京红山森林动物园创建直播栏目“zoo直播”，开辟“云游园”模式，通过直播的形式向观众展示园内熊猫、长颈鹿、环尾狐猴等动物。

2021年，南京红山森林动物园推出“云认养”，可合法认养一只老虎、一只小熊猫。

2025年6月9日，从南京市发展改革委了解到，南京红山森林动物园即将开始扩建，批复同意了新场馆河川馆的建设。