Maailman kauneimmaksi Olympiastadioniksi mainittu areena syntyi arkkitehtikilpailun tuloksena. Arkkitehdit Yrjö Lindegren ja Toivo Jäntti voittivat kilpailun funktionalistisen tyylisuunnan puhdaslinjaisella ehdotuksellaan.
Stadionin rakennustyöt aloitettiin 1934 ja rakennus vihittiin käyttöön 12.6.1938. Valmistumisensa jälkeen stadion on kokenut kahdeksan eri suurta rakennusvaihetta. Merkittävin rakennusvaihe oli koko Olympiastadionin peruskorjaus vuosina 1990-94.
Helsingin Olympiastadionin historian merkittävin tapahtuma on ollut XV Olympiadin kisat 19.7.-3.8.1952. Olympialaisten avajaisissa saavutettiin stadionin katsojaennätys 70 435 katsojaa ja olympiavuosi on yhä eniten katsojia kerännyt tapahtuma.
Olympiastadion uudistetaan vastaamaan tulevien vuosikymmenien tarpeita. Uudistus on aikataulutettu toteutettavaksi vuosien 2013-2018 välisenä aikana. Suunnittelutyö käynnistyi helmikuussa 2013. Pää- ja arkkitehtisuunnittelun toteuttaa monialaisten osaajien työyhteenliittymä. Toiminta-ajatus on, että uudistettu Olympiastadion on Suomen tärkein suurtapahtumien areena sekä liikunnan, urheilun, kulttuurin, viihteen ja turismin kohtauspaikka. Stadion on kansalaisten käytössä ja sitä ympäröi viihtyisä Olympiapuisto.
Olympiastadion suunnitellaan arkkitehtuuriltaan korkeatasoiseksi ja toiminnallisesti moderniksi kokonaisuudeksi.