האגודה הזואולוגית של לונדון נוסדה על ידי סר סטמפורד ראפלס בשנת 1826. ראפלס רכש את השטח בו הוקם לימים גן החיות והזמין את התוכניות עבורו, אולם נפטר באותה שנה בטרם החלו העבודות. לאחר מותו של ראפלס עבר ניהול הפרויקט להנרי פטי-פיצמוריס, מרקיז לאנסדאון השלישי, אשר פיקוח על בניית המבנים הראשונים עבור החיות. גן החיות נפתח באפריל 1828 לשימושם של חברי האגודה הזואולוגית, לצורכי מחקר, וכלל ראם לבן, קודו גמלוני, אורנגאוטן וכן בעלי חיים אשר מאז נכחדו: קואגה וזאב טסמני.
בשנת 1829 הוענק לאגודה זיכיון מלכותי על ידי המלך ג'ורג' הרביעי. בשנת 1847 נפתח גן החיות לציבור הרחב, במטרה להשתמש בדמי הכניסה לסייע במימון עלויות האחזקה של הגן.
עד שנת 1902 האמינו כי בעלי חיים טרופיים לא ישרדו באקלים הקר של לונדון, ולכן כל בעלי החיים הטרופיים הוחזקו בתוך מבנים. לאחר שד"ר פיטר צ'אלמרז מיטצ'ל מונה למזכיר האגודה, הוא החל בארגון מחדש של מבני גן החיות, והחל להוציא את בעלי החיים ממבנים סגורים למתחמים פתוחים (תוך הסתמכות על הניסיון של גן החיות של המבורג). בעקבות תוכנית ההרחבה של מיטצ'ל, נרכשה בשנת 1926 חוות הול הסמוכה, ובשנת 1931 נפתח גון החיות מחדש כפארק זואולוגי פתוח (הפארק הראשון מסוגו בעולם).
בשנת 1962 נשלחה ראמה לבנה לגן החיות של פניקס באריזונה שבארצות הברית, במסגרת תוכנית ההרביה הבינלאומית הראשונה. כיום משתף גן החיות פעולה עם גני חיות ברחבי העולם להרביית 130 מינים שונים.
בשנות ה-80 של המאה ה-20 היו בגן החיות כ-7,000 בעלי חיים (המספר הרב ביותר בממלכה המאוחדת - הגן השני בגודלו - גן החיות של צ'סטר החזיק פחות מ-3,500 בעלי חיים). בין בעלי החיים שהוחזקו בגן היו בעלי חיים שלא ניתן היה לראותם בשום מקום אחר בממלכה המאוחדת, כגון: וומבט, שד טסמני וקנגורו חולדתי חוטמני. אחזקת מספר בעלי החיים הרב הקשתה מאוד על ניהול הגן. יחס ציבורי המבקר את תנאי אחזקת בעלי החיים במתחמים סגורים, והמיתון אשר פקד את הממלכה המאוחדת באותה עת הביא להפחתה במספר המבקרים. בשנת 1991 הכריזה האגודה על סגירת הגן משיקולים תקציביים. הכרזה זו הביאה לפעילות ציבורית נרחבת לתמיכה בגן, והתרומות הרבות איפשרו שיקום הגן והמשך פעילותו.
חלקי גן החיות.
במסגרת תוכנית רב שנתית של גן החיות, מאז ראשית המאה ה-21 הגן החל לעבור שיפוץ ושיפור במטרה להחליף את הכלובים בהם הוחזקו בעלי החיים בשטחים פתוחים הדומים לסביבה הטבעית של בעלי החיים. בשנת 2005 הוקמו מתחם "ספארי הציפורים האפריקאי" (African Bird) ו"פגוש את הקופים" (Meet The Monkeys), ובשנת 2006 נפתח מתחם "לתוך אפריקה" ("Into Africa") ומתחם "גן העדן לפרפרים" ("Butterfly Paradise"). בשנת 2007 נפתח מתחם "ממלכת הגורילות" ("Gorilla Kingdom") בנוכחות הנסיך פיליפ, הדוכס מאדינבורו, ו"מתחם יער הגשם על שם קלור" ("Clore Rainforest Lookout") במקום בו עמד קודם לכן בניין היונקים הקטנים. בחג הפסחא של שנת 2008 נפתח "ביתן בלקבורן" (the "Blackburn Pavilion) - ביתן ציפורים בדמות יער טרופי.
תוכניות לעתיד כוללות שיפוץ והרחבת גן החיות של הילדים וטרסות האריות של הפארק.
ספארי הציפורים האפריקאי.
ספארי הציפורים האפריקאי (African Bird Safari)(), שנפתח בחג הפסחא של שנת 2005, החליף שלושה מתחמים שקדמו לו באזור ביתן החסידות והיענים. אורכו של השביל 51 מטרים וגובה המבנה 10 מטרים. המתחם מכיל פלג קטן שמעליו גשר, וכן מספר עצים גבוהים. במתחם מוצגים חסידות לבנות בטן, זרזירים הדורים, שרשירי מדגסקר ("Anas bernieri"), טוקוס פון דר דקן וכן כחל כחול-בטן וכחל לילכי.
האקווריום.
האקווריום () של גן החיות הוקם בשנת 1853 והיה האקווריום הראשון בעולם. המונח "אקווריום" מקורו בגן החיות של לונדון (קודם לכן נעשה שימוש במונח 'Aquatic Vivarium'). האקווריום הנוכחי נבנה החל משנת 1921 מתחת ל"טרסות מאפין" בעקבות הגידול בפופולריות של האקווריום ומספר הצופים הרב המבקרים בו. האקווריום נפתח בשנת 1924 בנוכחות ג'ורג' החמישי ורעייתו מרי מטק.
המבנה מחולק לשלושה אולמות תצוגה:
האקווריום כולל גם מכל גדול ובו דגים שהובאו מבתים פרטיים שבעליהם לא יכלו לטפל בהם יותר.
ביתן בלקברן.
ביתן בלקברן (Blackburn Pavilion - ) נפתח לציבור ב-21 במרץ 2008. מבנה זה מהווה שיפוץ של בית הציפורים המקורי של גן החיות - מבנה ויקטוריאני שהוקם בשנת 1883 ושימש כבית זוחלים תוך שימוש בכספים שהתקבלו ממכירת הפיל ג'מבו לקרקס בארנום. המבנה נקרא על שם משפחת בלקברן אשר תמכה בגן בראשית שנות ה-90 עת היה חשש לסגירת הגן. בביתן זה משוחזר יער עננים ויער גשם המשמש בטבע כביתם של כ-50 ציפורים ובהם: טוקניים, זרזירים, קוקובורות, ציפורי אהבה וקוליבריים (גן החיות הוא המקום היחיד בו הם מצויים ברחבי הממלכה המאוחדת). כמו כן מצויים בביתן ציפורים בסכנת הכחדה וציפורים שנכחדו בחופש וגדלים כיום רק בגני חיות ובהם יונת סוקורו ("Zenaida graysoni").
B.U.G.S.
B.U.G.S - ראשי תיבות של "Biodiversity Underpinning Global Survival" - "שונות ביולוגית מאפשרת הישרדות עולמית" הוא מבנה שנקרא בעבר "שרשרת החיים" (Web of Life - מילולית "רשת החיים"). המבנה (במיקום - ) מיועד להוות מרכז חינוכי המלמד אודות השונות הביולוגית. במבנה מוצגים למעלה מ-140 זנים הכוללים בעיקר חרקים שונים, מאחר -98% מבעלי החיים הם חרקים. בין היתר מוצגים זני נמלים שונים, טרנטולות ואף דובי נמלים.
גן העדן לפרפרים.
מתחם "גן העדן לפרפרים" (Butterfly Paradise הממוקם ב-) נפתח לציבור במאי 2006. המתחם מציג עשים ופרפרים מאפריקה, דרום-מזרח אסיה, מרכז אמריקה ודרום אמריקה. כמו כן הביתן מכיל צמחייה אשר תואמת את בתי הגידול הטבעיים של הפרפרים.
בין היתר מוצגים בביתן פרפרים מסוג "Parthenos sylvia", "Hypolimnas bolina", "Heliconius charithonia", ו-"Heliconius melpomene".
בתצוגה מוצגים כל שלבי התפתחות הפרפר וישנו חדר מיוחד בו ניתן לראות את זחלי הפרפרים וגלמיהם.
גן החיות לילדים על שם אמביקה פול.
גן החיות לילדים על שם אמביקה פול (Ambika Paul Children’s Zoo, הממוקם ב-) כולל שני מתחמים: מרכז לטיפול בחיות מחמד ופינת ליטוף. מרכז הטיפול מייעץ בנושא טיפול בחיות מחמד, וכולל תצוגה של ארנבות, קביות, עכברים, חולדות, מקלונאים, צ'ינצ'ילות, דגואים וחלזונות. במכלאה מוצגים כבשים, עיזים ננסיות ועיזים נוביות, למות, איילי צפון וחזירים.
הגן הוקם בשנת 1994 בעקבות תרומה של סוורג' פול לזכרה של בתו אמביקה פול אשר נפטרה מסרטן הדם.
תצפית יער הגשם על שם קלור.
תצפית יער הגשם על שם צ'ארלס קלור (Clore Rainforest Lookout הנמצאת ב-), נפתחה בנוכחות הנסיך פיליפ, דוכס אדינבורו ב-30 במרץ 2007.
התצפית נבנתה במקום בו עמד קודם לכן "ביתן היונקים על שם צ'ארלס קלור" (Charles Clore Pavilion for Mammals) שנבנתה בשנת 1967 במימון קרן קלור דאפילד (Clore Duffield Foundation).
התצוגה משחזרת בגן החיות יער גשם האופייני לדרום אמריקה, כאשר המבקרים יכולים לעבור על גבי גשרים ולצפות ביער בגובה ראשי העצים או ללכת על קרקעית היער. בין היתר התצוגה כוללת עצלנים, אגוטי זהוב-ירך, מרמוסט כסוף, טמרין רעמתי זהוב, מרמוסט לבן ראש, מרמוסט גולדיי, לוריס איטי, פוטו מצוי, טמרין קיסרי, מרמוסט גמדי ולמורים מסוג למור עדין מהמין "Hapalemur alaotrensis".
"אזור הלילה" של התצפית הוא אזור מוחשך המציג את חיי הלילה ביער הגשם. באזור זו מוצגים: שועל-מעופף רודריג, קנגורו חולדתי חוטמני, עקרב קיסרי ("Pandinus imperator"), וחולדה מלגשית ענקית ("Hypogeomys antimena").
ממלכת הגורילות.
ממלכת הגורילות (Gorilla Kingdom הממוקמת ב-) נחשבת לאחת התערוכות המרשימות והפופולריות ביותר בגן החיות. תערוכה זו נפתחה בחג הפסחא בשנת 2007, והיא משתרעת על פני שטח של 6,000 מטרים רבועים. עלות הקמת המתחם הגיעה ל-5.3 מיליון ליש"ט ועבודות הבנייה נמשכו כ-18 חודשים. המבקר הראשון במתחם היה הנסיך פיליפ, דוכס אדינבורו, אשר ביקור בו ב-29 במרץ. המתחם נפתח לציבור ב-30 במרץ 2007.
המתחם החליף את מתחם הקופים הישן של גן החיות וכולל אי מוקף חפיר ומבנה מקורה בו יכולות הגורילות להתעמל. במתחם מתגוררות כיום ארבע גורילות שנרכשו מעולם ההרפתקאות של צ'שינגטון, וכן קולובוסים שחורים-לבנים, קופי מנגבי, וקופי דיאנה וכן לטאות כח.
מתחם ממלכת הגורילות נבנה בהשראת מתחם דומה שמפעילה האגודה הזואולוגית של לונדון בגבון, המשמש לשימור גורילות בטבע. המתחם מדמה את אזור המגורים הטבעי של הגורילות ונשתלו בו צמחים המשמשים למאכל הגורילות והמדמים את סביבתם הטבעית - יער גשם אפריקאי.
המבקרים רואים את מתחם הגורילות מעברו השני של החפיר, או מבעד לחלונות זכוכית במבנה הגורילות.
לתוך אפריקה.
מתחם "לתוך אפריקה" (Into Africa הממוקם ב- ) נפתח ב-1 באפריל 2006. מתחם זה כולל משטח גבוה המאפשר צפייה בקו העצים של אזור אפריקאי - ומאפשר למבקרים לצפות בג'ירפות בקו העיניים שלהם. כמו כן המתחם כולל זברות, חזירי יבלות, אוקאפי, חזירי נהרות וזאבים טלואים.
במתחם זה אין סורגים, והמבקרים צופים בבעלי החיים מבעד לחלונות זכוכית.
מתחם דרקון קומודו.
מתחם דרקוני הקומודו (The Komodo Dragon enclosure, הממוקם ב-) נפתח לציבור ב-12 ביולי 2004 בנוכחות של סר דייוויד אטנבורו.
המתחם מדמה עמק נהר יבש, בו צופים המבקרים מבעד לכיכר זכוכית שאורכו 20 מטרים. מתחם זה נבנה כחלק מתוכנית שימור וריבוי של הדרקונים.
טרסת מפין.