נתיב ימי בין שני האוקיינוסים עדיין נחשב כפתרון אידיאלי, ורעיון בניית התעלה התעורר בתקופות שונות. לבסוף, מעודדים מהצלחת כרייתה של תעלת סואץ, התחילו הצרפתים, בהדרכתם וניהולם של פרדיננד דה לספס וגוסטב אייפל, בבניית תעלה בגובה פני הים (כלומר, ללא תאי שיט) ב-1 בינואר 1880. למרות העבודה הרבה שכבר הושקעה בבניית התעלה, בשנת 1893 נאלצו הצרפתים להפסיק את הפרויקט בגלל מחלות כמו מלריה וקדחת צהובה וכן בשל הקושי הגדול בכריית תעלה בגובה פני הים. גם מחיר הדמים היווה מרכיב מרכזי בכישלון. אף על פי שלא נשמרו רשימות מפורטות, מעריכים שכ-22,000 עובדים מתו במהלך התקופה העיקרית של הבנייה הצרפתית (1881–1889). כישלון המיזם הוביל לפשיטת רגל של החברה ומנהליה הואשמו בהונאת המשקיעים, במה שכונה "שערוריית פנמה".
ארצות הברית, בהנהגתו של הנשיא תאודור רוזוולט, קנתה את הציוד והחפירות הצרפתיות. בשנת 1902 שכנע רוזוולט את הקונגרס האמריקאי להיכנס לתחום כריית התעלה הימית מחוף לחוף בפנמה. היה זה בעיצומה של מלחמת אלף הימים [Thousand Days War] שבה הייתה קולומביה שרויה, שבמהלכה נעשו ניסיונות של בדלנים מפנמה לקבל עצמאות. ארצות הברית שלחה כוח ימי למימיה הטריטוריאליים של קולומביה, שאיים על עצמאות הרפובליקה. ב-3 בנובמבר 1903, ב"עידוד" של ארצות הברית ושל צרפת, הכריז אזור פנמה על עצמאות מדינית מקולומביה. לאחר מספר חודשים, בתחילת 1904, החלה חפירת תעלת פנמה. בתמורה לסיוע ברכישת העצמאות העניקה פנמה לארצות הברית את השליטה באזור התעלה. השקעה משמעותית נעשתה בניסיון להדביר מחלות משטח החפירה, במיוחד מלריה וקדחת צהובה, שהגורמים להן התגלו זמן קצר לפני תחילת העבודות. לאחר שטוהר האזור ממחלות, והוכנו התשתיות הרבות הדרושות לבנייה, התחילה העבודה על תעלה גבוהה עם תאי שיט. תעלת פנמה נפתחה באופן רשמי בתאריך 15 באוגוסט 1914, עם המעבר של ספינת המשא "אנקון" (Ancon). ההתקדמות וההבנה בנושא היגיינה הובילה למספר מתים נמוך יחסית במהלך הבנייה האמריקאית. עדיין, מספר המתים עמד על 5,609 בתקופה שבין 1904 ל-1914. מספר המתים הכולל במהלך בניית התעלה הגיע לכ-27,500.
עד לשנות ה-30 כבר נראה היה שאספקת המים לתעלה תהיה בעייתית, במיוחד בתקופות היובש. הדבר הוביל לבניית סכר מאדן על פני נהר הצ'אגרס מעל לאגם גאטון. הסכר, שהושלם בשנת 1935, יצר את אגם אלחואלה המשמש כמאגר מים נוסף לתעלה. בשנת 1939, התחילה בניתם של שיפורים רבים נוספים. מערכת חדשה של תאי שיט, הגדולים מספיק להכיל את אוניות המלחמה שהיו אז בבנייה בארצות הברית, או המתוכננות להבנות בעתיד הקרוב (אוניות המלחמה המתוכננות מסוג מונטנה היו רחבות הרבה יותר מתאי השיט הקיימים בתעלה). העבודות נמשכו לאורך מספר שנים, וחפירות משמעותיות בוצעו על תעלות גישה חדשות, אולם הפרויקט הופסק לאחר מלחמת העולם השנייה.
במלחמת העולם השנייה פעלו צוללות גרמניות בפתח תעלת פנמה. באותה המלחמה תכננה האימפריה היפנית לפגוע בתעלת פנמה ואף שלחה צוללות מיוחדות לאזור, אך אלו קיבלו הודעת ביטול למשימה בעקבות כניעתה של יפן בטרם הספיקו להשלים את משימתן. לאחר המלחמה, שליטת ארצות הברית באזור התעלה ובתעלה עצמה הפכה בעייתית ומעוררת מחלוקת לאחר שהיחסים בין ארצות הברית לפנמה הפכו ליותר ויותר מתוחים. רבים מתושבי פנמה הרגישו שאזור התעלה שייך לפנמה. הפגנות סטודנטים רבות הובילו לגידור אזור התעלה והגברת הנוכחות הצבאית באזור. משא ומתן להסדר חדש התחיל בשנת 1974 והוביל להסכמי טוריחוס-קרטר. ההסכמים נחתמו על ידי נשיא ארצות הברית ג'ימי קרטר ועומאר טוריחוס הררה מפנמה ב-7 בספטמבר 1977.
בעקבות ההסכמים החל תהליך מסירת התעלה לשליטה פנמית. אף על פי שמסירת התעלה הייתה שנויה במחלוקת בארצות הברית, החוזה הוביל לשליטה פנמית מלאה על התעלה החל מצהרי ה-31 בדצמבר 1999, והשליטה בתעלה נמסרה לידי רשות תעלת פנמה (בספרדית: Autoridad del Canal de Panama, או ACP).
אגרת מעבר.
אגרת המעבר בתעלה נקבעת על ידי "רשות תעלת פנמה" והיא מבוססת על סוג כלי השיט, גודלו וכן סוג המשא המועבר. אגרת מעבר של ספינת מכולה ממוצעת הוא בסביבות 400 אלף דולר.
לאוניות מכולה, האגרה מחושבת על פי "TEU" (Twenty-foot Equivalent Unit), שזה בעצם גודלה של מכולה שממדיה 2.6 x 2.4 x 6 מטר. נכון ל-1 במאי 2009, האגרה הזו עומדת על 72 דולר לכל TEU. (ספינת מכולות בגודל פנמקס מסוגלת להכיל עד 4,400 מכולות בגודל TEU). אגרה נמוכה יותר נגבית מספינות נוסעים ומספינות מכולה הטעונות בזיבורית, כלומר, ספינות השטות ריקות, ללא משא או נוסעים, נכון ל-1 במאי 2009, האגרה הזו עומדת על 57.60 דולר לכל TEU.
רוב כלי השיט האחרים משלמים אגרה לכל PC/UMS טון תפוסה נטו, שבה כל "טון" שווה בעצם ל-100 רגל מעוקב. נכון ל-2008, האגרה הזו עומדת על 3.90 דולר לכל טון בשביל 10,000 הטון הראשונים, 3.19 דולר לכל טון בשביל 10,000 הטון הבאים, 3.82 דולר לכל טון בשביל 10,000 הטון הבאים, ו-3.76 דולר לכל טון ממשקל זה ואילך. כמו עם אוניות מכולה, אגרה מופחתת נגבית מספינות העוברות ב"זיבורית".
כלי שיט קטנים יותר משלמים אגרה על פי אורכם. החל מ-2006 האגרות עומדות על הסכומים הבאים:
האגרה הנמוכה ביותר ששולמה אי פעם למעבר עמדה על 36 סנט. את האגרה שילם ההרפתקן האמריקאי ריצ'רד האליברטון (Richard Halliburton) כששחה לאורך כל התעלה בשנת 1928. הוא נרשם כספינה במשקל של 80 ק"ג.
קשיים בהפעלת התעלה.
הבעיות שליוו את התעלה והביאו להרחבתה:
יעילות ותחזוקה.
עם עזיבת ארצות הברית עלו חששות בכל הקשור לתחזוקת התעלה ויעילותה. עם זאת, נראה שחששות אלה התבדו, היות שיעילות התעלה גדלה מאז שפנמה התחילה לשלוט בה. המדד העיקרי ליעילות התעלה מכונה זמן המים של התעלה (באנגלית: Canal Waters Time או: CWT), ומודד את הזמן הממוצע הנדרש לכלי שיט לעבור את התעלה, כולל זמני ההמתנה. לפי רשויות התעלה הפנמיות, ה-CWT הולך ופוחת. באותה עת, מספר התאונות בתעלה הוא הנמוך ביותר אי פעם.
כמות גדלה והולכת של סחורות מאסיה, שבעבר הגיעו לחוף המערבי של ארצות הברית, עוברת כעת בתעלה ונוחתת בחוף המזרחי של המדינה. סך כמות הספינות שעברו בשנת הכספים 1999 הייתה 14,336. הכמות הזאת קטנה ל-13,154 ב-2003, בין השאר בשל סיבות כלכליות עולמיות, אבל גדלה ל-14,011 ב-2005 (שנת הכספים של התעלה נמשכת מאוקטובר עד ספטמבר). בד בבד, גודלן הממוצע של האוניות גדל באופן עקבי, כמו גם כמות האוניות בגודל "פנמקס" שעוברות בתעלה. ולכן, סך התפוסה של האוניות גדל באופן עקבי מ-227.9 PC/UMS מיליון טון בשנת הכספים 1999, ל-278.8 מיליון טון ב-2005. בהינתן ההשפעה השלילית של גודל כלי השיט על קצב המעבר (חוסר היכולת של ספינות גדולות לעבור בקלות במעבר גיילארד מהווה דוגמה טובה לכך), ולמרות הכמות הפחותה של האוניות העוברות בתעלה, קיבולת התעלה גדלה באופן משמעותי. התעלה קבעה שיא תנועה בתאריך 13 במרץ 2006, בו עברו בתעלה 1,070,023 PC/UMS טון מטען.
הנהלת התעלה השקיעה כמעט מיליארד דולר בהרחבת התעלה ובחידושה, כשהמטרה היא הגדלת הקיבולת ב-20%. הנהלת התעלה מציינת מספר חידושים עיקריים, לרבות הרחבה ויישור של מעבר גיילארד על מנת להקטין הגבלות על תנועת אוניות חוצה, העמקת נתיב השיט באגם גאטון על מנת להקטין הגבלות מהירות הנובעות ממזג האוויר ושיפור אספקת המים והגדלה של צי הגוררות בכ-20%. כמו כן, נעשו עבודות העמקה של הגישות הפאסיפיות והאטלנטיות לתעלה, שהתאפשרו הודות למספר כלי שיט חדשים כדוברת קידוח ואוניית מחפר. עוד נעשו שיפורים במכונות התפעוליות של התעלה, לרבות צי גדול ומשופר של קטרי גרירה, החלפת יותר מ-16 קילומטר של פסי רכבת, וכן לוחות בקרה חדשים למכונות הסכרים. כמו כן נעשו שיפורים למערכות שליטה ובקרה על תנועת האוניות בתעלה שמאפשרות פיקוח יעיל יותר. במשאל עם אשר נערך ב-23.10.06 תמכו כ-80% מאזרחי פנמה בהשקעת תקציב מיוחד בהרחבת התעלה.
עזיבת ארצות הברית אפשרה לפנמה למכור חשמל עודף שנוצר על ידי סכרי התעלה, דבר שהיה אסור לפני כן על ידי ממשלת ארצות הברית. רק 25% מהחשמל המיוצר בתעלה דרוש על מנת להפעיל אותה.
קיבולת.
התעלה מטפלת כיום בתנועה גדולה יותר של כלי שיט ממה שחזו לה בוניה אי פעם. בשנת 1934 העריכו שהקיבולת המרבית של התעלה תהיה בסביבות 80 מיליון טון לשנה. כמו שצוין למעלה, בשנת 2005 קיבולת התעלה עמדה על 278.8 מיליון טון.
למרות הרווחים הרבים הודות להתייעלות בתעלה, התעלה צפויה בקרוב להגיע לקיבולת המרבית שלה. סיבוך נוסף נובע מהכמות הגדלה והולכת של אוניות בגודל "פנמקס" העוברות בקביעות בתעלה. הדבר עלול להקטין עוד יותר את הכמות המרבית של האוניות בתעלה, אפילו אם התפוסה הממוצעת תעלה. בכל מקרה, אם התעלה תרצה להמשיך לשרת את הצרכים של ההובלה הימית העולמית, תידרש פעולה להגדלת התפוסה שלה. באוקטובר 2006 נערך בפנמה משאל עם לגבי תוכנית הממשלה להרחבת התעלה; לפי תוצאותיו, קיימת תמיכה נרחבת לתוכנית זו.
תחרות.
עלו מספר ספקולציות בנוגע לתעלות חדשות דרך מקסיקו או קולומביה שיוכלו להכיל ספינות גדולות יותר מפנמקס ("פוסט-פנמקס"), וישנן לפחות שלוש תוכניות לבניית תעלת ניקרגואה, דרך ניקרגואה: תעלת "פוסט-פנמקס" עיקרית שהוצעה על ידי הממשלה, וכן שתי הצעות פרטיות לבניית קו רכבת בין נמלים משני צידי היבשת.
מבקרים גם כן התייחסו בדאגה לעלייה התלולה באגרות המעבר, והם מציינים כי ייתכן שתעלת סואץ תהפוך להיות כדאית יותר בהעברת סחורות מאסיה לחוף המזרחי של ארצות הברית. עם זאת, הדרישה לשימוש בתעלת פנמה ממשיכה לעלות.