Был основан при Казанском университете в 1806 году Карлом Федоровичем Фуксом, а в 1829 году были приобретены прибрежные участки на берегу озера Кабан для закладки ботанического сада площадью 6,7 га. В 1834 году возвели оранжерею, и ботанический сад открылся для посещения.

8 ноября 1925 года состоялось открытие маленького зоосада, разместившегося во дворе Центрального музея (ул. Чернышевского, 2).

В 1931 году ботанический сад объединили вместе с зоосадом при Центральном музее Татарской Автономной Советской Социалистической Республике в одно учреждение, которое стало называться Зооботаническим садом.

В 1996 году зооботсад стал действительным членом Европейской ассоциации зоопарков и аквариумов (EAZA), с марта 1997 года является действительным членом Евро-Азиатской региональной ассоциации зоопарков и аквариумов (ЕАРАЗА).

Летом 2009 года в Казанском зоопарке был открыт детский контактный зоопарк «Лукоморье», в 2011 году - реабилитационно-оздоровительный центр «ВзаимоПОНИмание».

На рубеже 2000-х/2010-х годов было принято решение о радикальной реконструкции с возможным переносом зооботсада. Рассматривались новые места для зооботсада в районах города вдоль реки Казанка в заречном Ново-Савиновском районе города, однако, в итоге было принято решение об оставлении зооботсада на прежнем месте в центре города с расширением территории секцией «Река Замбези» на 7 гектаров за Южным внутригородским железнодорожным ходом в сторону Гребного канала (Федерального спортивно-тренировочного центра по гребным видам спорта) и секцией дендропарка по другую сторону от протоки до улицы Технической.

Реконструкция началась в 2015 году. Популяция животных увеличивается на несколько десятков. В 2019 году полностью открылась после реконструкции часть экспозиции на прежней территории. В 2020 году открылась полностью новая зона «река Замбези», на следующий год - новая зона дендропарк.