知名的日本建筑师伊东豊雄，和台湾的刘培森建筑师事务所参与评选，最后由此团队获选首奖。场馆由互助营造承建。场馆于2006年11月22日动工，2009年1月完工。在世运会举行前，高雄市政府于2009年5月20日举办「2009迎接世运之夜─世运主场馆落成音乐会」以庆祝落成。世运会结束后，主场馆由行政院体育委员会接手管理，并于2009年6月4日成立国家体育场管理处负责管理，与台中体育场并列为中华民国两个由中央政府直接管理的体育场馆。体育署计画把国家体育场、国家运动选手训练中心等邻近体育设施，规划为「国家体育园区