
สวนสัตว์เขาดินในปัจจุบัน เดิมเป็นสวนพฤกษชาติ ในพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว รัชกาลที่ 5 ที่ประพาสทรงพระเกษมสำราญ ทรงโปรดเกล้าโปรดกระหม่อมให้สร้างขึ้นในปี 2438 หลังจากที่พระองค์ได้ทอดพระเนตรกิจการสวนพฤกษชาติของต่างประเทศและพบว่าสวนพฤกษชาติเป็นสถานที่ที่ให้ความรู้ความเพลิดเพลิน
ภายในสวนพฤกษชาติ ทรงโปรดเกล้าโปรดกระหม่อมให้ปลูกพรรณไม้นานาชนิด ขุดสระน้ำขนาดใหญ่ใจกลางสวน ดินที่ได้จากการขุดสระ นำมาวางกองเป็นเนินเขาเกาะกลางน้ำ พระองค์ทรงเรียกว่า "เขาดิน" ในส่วนของพรรณไม้นานาชนิดพระองค์ทรงเรียกว่า "วนา" รวมอาณาเขตส่วนนี้ทรงโปรดเรียกว่า "เขาดินวนา" ดังนั้น เขาดินวนา จึงเป็นส่วนหนึ่งในเขตพระราชฐานพระราชวังดุสิต
ต่อมาในรัชสมัยพระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัว รัชกาลที่ 7 ทรงมีพระราชดำริที่จะทำนุบำรุงสวนแห่งนี้ให้กว้างขวาง และดีกว่าที่เป็นอยู่ เพื่อเปิดให้ประชาชนมาเที่ยวพักผ่อนหย่อนใจ ภายหลังจากการเปลี่ยนแปลงการปกครอง พ.ศ. 2475 แล้ว คณะรัฐบาลจอมพล ป. พิบูลสงคราม จึงได้กราบบังคมทูลขอพระราชทานสวนดุสิต ให้ดำเนินการจัดทำเป็นสวนสาธารณะ
จากนั้น เทศบาลนครกรุงเทพได้จัดการย้ายกวางดาว และสัตว์ชนิดต่างๆ มาจากสวนอัมพร และย้ายสัตว์บางชนิด อย่างจระเข้ ลิง จากสวนสราญรมย์ มาไว้ที่เขาดินวนา และได้ขอให้ทางสำนักพระราชวังส่งช้างหลวงมาให้ประชาชนได้ชมในวันอาทิตย์ และเมื่อปรับปรุงสิ่งก่อสร้างต่างๆ เรียบร้อยแล้วทางเทศบาลนครกรุงเทพ จึงเปิดสวนดุสิตให้ประชาชนเที่ยวชม ตั้งแต่เมื่อวันที่ 18 มีนาคม พ.ศ. 2481 และให้เรียกสวนสัตว์นี้ว่า สวนสัตว์ดุสิต ซึ่งถือได้ว่าเป็นสวนสัตว์แห่งแรกในประเทศไทย
ช่วงแรกสวนสัตว์ดุสิต อยู่ภายใต้ความรับผิดชอบของเทศบาลนครกรุงเทพ หลังจากนั้นได้มีการจัดตั้งเป็นองค์การขึ้น เพื่อให้การบริหารงานคล่องตัว ขึ้นตรงกับสำนักนายกรัฐมนตรี
ต่อมาในวันที่ 15 พฤศจิกายน พ.ศ.2506 พระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดช บรมนาถบพิตร รัชกาลที่ 9 ทรงรับองค์การสวนสัตว์ ไว้ในพระบรมราชูปถัมภ์ ตั้งแต่นั้นมาจึงมีชื่อเต็มว่า องค์การสวนสัตว์ ในพระบรมราชูปถัมภ์ หรือ อสส. ถึงวันนี้ สวนสัตว์ดุสิตเปิดมาได้แล้ว 79 ปี แต่หากนับรวมเวลาเดิมที่เป็นสวนพฤกษชาติก็ 122 ปีมาแล้ว