На початку ХХ століття на території нинішнього стадіону поруч із Петрівською алеєю розміщувалися теплиці, які постачали овочі та фрукти до царської резиденції – Маріїнського палацу. У 1863 році на нинішній території стадіону «Динамо», у найстарішому в Києві регулярному парку, який носив тоді назву Царський сад (нині частина цього парку біля стадіону іменується Міський сад), був побудований розважальний заклад – кафе-шантан «Шато-де-Флер» (у перекладі з французької Château de Flers – замок квітів). Кафе з танцювальною залою, галереями та балконом було популярним серед жителів міста.

На початку 20-х років названий «буржуазним» заклад було закрито. На його місці за ініціативи Київської губернської ради товариства «Динамо» було збудовано кілька спортивних майданчиків, футбольне поле з дерев'яною роздягальнею, гімнастичне містечко, баскетбольний, волейбольний та гандбольний майданчики.

У перші роки після заснування футбольний клуб «Динамо» не мав власного стадіону: головні матчі проходили на Червоному стадіоні, найбільшій на той час арені міста, а на збудованому спортивному майданчику у парку, який вже носив назву Першотравневий, проходили лише тренування команди. У 1930 році товариство «Динамо» отримало підтвердження від Комітету господарства УРСР про будівництво замість оранжерей поблизу спортивних майданчиків нового великого стадіону з усією необхідною спортивною інфраструктурою.

Будівництво стадіону розпочалося у 1931 році за проектом інженера-архітектора П. Ржечицького. За два роки було виконано основні роботи із загального планування комплексу стадіону та насамперед спортивного ядра з футбольним полем та біговою доріжкою. Зведення наступних окремих споруд на його території велося у 1934-36 рр. На території комплексу також було збудовано ресторан «Динамо» у суперсучасному на той час стилі конструктивізм (архітектор – І. Каракіс). Стадіон будувався силами ув'язнених та самих киян, яких залучали на так звані недільники.

Відкриття стадіону, яке кілька разів відкладали через голод, відбулося 12 червня 1933 року. Матчем-відкриттям став фінальний поєдинок всеукраїнської Дінаміади між командами Києва та Харкова, який київські динамівці виграли з рахунком 2:1. Цю гру відвідало 45 000 осіб за вдвічі меншої кількості глядацьких місць, оскільки було оголошено про можливість придбати деякі продукти у буфетах стадіону. Арена, збудована на зразок берлінського стадіону, отримала ім'я наркома внутрішніх справ Всеволода Балицького і мала 18 000 місць для сидіння, частина яких знаходилася під дерев'яним навісом.

У 1936 році завершили роботи над колонадою при головному вході, яка і нині залишається одною із головних архітектурних пам’яток столиці. Архітектори – Н. Манучарова та В. Поліщук. Після перенесення столиці УРСР з Харкова до Києва (1934) нова спортивна споруда отримала назву Всеукраїнський стадіон «Динамо» імені Балицького. Тож спершу стадіон «Динамо» носив імена радянських діячів, спочатку народного комісара Всеволода Балицького, а згодом – члена ЦК ВКП(б) Миколи Єжова. Наприкінці 30-х років і Балицький, і Єжов були оголошені зрадниками та «ворогами народу». Назву було змінено на Всеукраїнський стадіон «Динамо».

Вкриті дерев'яним навісом трибуни були розраховані на 23 000 глядачів, які приходили подивитися на гру своїх кумирів – футболістів «Динамо». Відтепер всі свої домашні матчі вони проводили на власній арені. Кияни з великим ентузіазмом відвідували матчі улюбленої команди й стали свідками в 1936 році розгрому в товариській грі збірної Туреччини 9:1, а також красивої перемоги над московським ЦБЧА 3:1 у першому чемпіонаті Радянського Союзу. У наступні роки кияни завдавали болючих поразок й іншим московським клубам на домашньому полі.

В цілому новий стадіон на Петровській алеї став для динамівців щасливим. У довоєнні роки вони виграли на ньому «срібло» та «бронзу» чемпіонату СРСР і навіть узяли приціл на «золото», але настав 1941-й рік... Стадіон прийшов у занепад, а відлуння воєнного часу дійшли і до наших днів. На початку 90-х під час ремонтних робіт під біговою доріжкою було виявлено кілька авіабомб...

Після війни футболісти київського «Динамо» грали на стадіоні ім. М.С. Хрущова (нині НСК «Олімпійський). А на клубний стадіон футбол повернувся лише в 1956-му. До того часу його відбудували, й поле віддали динамівським дублерам.

Знову на «Динамо» прийшли будівельники, коли стадіон вирішили підготувати до Олімпіади-80. Стадіон перетворився й став кращим. Його архітектуру доповнили чотири освітлювальні вежі, електронне табло. Місткість трибун зменшилася до 18 тисяч, зате на один поверх «зросла» адміністративна будівля. Капітальної реконструкції зазнали легкоатлетичні доріжки, спортивні зали, плавальний басейн, тенісні корти та баскетбольні майданчики.

У 50-ті роки взимку на території стадіону влаштовували каток. Величезний відкритий басейн з 50-метровими доріжками біля стадіону було відкрито у 1967 році. На цьому місці раніше були тенісні корти, а нині - паркінг стадіону.

І, хоча матчі жодного з олімпійських групових турнірів стадіон «Динамо» не приймав, на ньому із задоволенням тренувалися учасники головної спортивної події чотириріччя. Згодом на оновленій і комфортабельній динамівській арені проводилися чемпіонат СРСР з легкої атлетики та фінальний турнір чемпіонату Європи з футболу серед юнаків.

Нове життя арени почалося в 90-х роках. Чергова реконструкція перетворила «Динамо» на виключно футбольний стадіон. Були прибрані легкоатлетичні доріжки, збільшено до стандартних розмірів поле. Відповідно до вимог міжнародних футбольних організацій на капітально відремонтованих трибунах встановили індивідуальні пластикові крісла для глядачів.

У перебудованих приміщеннях центральної трибуни за сучасним фасадом із скла та алюмінію розмістився триповерховий офіс ТОВ «ФК «Динамо» (Київ)» і практично всі його служби. У 2001 році на території комплексу відкритий комфортабельний фітнес-центр із плавальним басейном.

Поряд із будівлею клубного офісу відкрита автостоянка та підземний гараж. Збережено встановлений ще у 1971 році монумент на честь футболістів київського «Динамо», які загинули в роки Великої Вітчизняної війни 1941-1945 рр. Цей монумент було перенесено до вхідної колонади стадіону та встановлено поруч, на вході у Міський сад.

У травні 2002 року після смерті видатного футбольного тренера Валерія Васильовича Лобановського, який привів клуб на вершини європейської футбольної слави, Рада акціонерів тоді ще ЗАТ ФК «Динамо» (Київ) прийняла рішення назвати клубний стадіон його іменем.

Монумент, присвячений Валерію Лобановському, також було перенесено на видне місце - на вулицю Михайла Грушевського та встановлено перед вхідною колонадою стадіону.

Із 1996 до 2011 рік включно свої домашні матчі чемпіонату та Кубка України, а також кваліфікаційні поєдинки Ліги чемпіонів УЄФА команда проводила на своєму клубному стадіоні. Після завершення масштабної реконструкції НСК «Олімпійський», який приймав фінал Євро-2012, «біло-сині» повернулися на свій історичний основний домашній стадіон.

Паралельно з проведенням на «Олімпійському» фіналу Ліги чемпіонів стадіон «Динамо» приймав фінал жіночної Ліги чемпіонів, у якому зустрілися французький «Ліон» та німецький «Вольфсбург». Перед цим матчем на стадіоні був встелений гібридний газон найновішого покоління та замінено глядацькі місця, інфраструктуру стадіону було модернізовано. І зараз, у важкі для нашої країни воєнні часи «біло-сині» знову проводять домашні матчі чемпіонату України на стадіоні «Динамо» ім. В. Лобановського, стадіоні, який має багату та насичену історію та, як і 90 років тому, продовжує притягати до себе любителів футболу.