Olympiastadionin rakennustyöt aloitettiin 12.2.1934 ja rakennus vihittiin käyttöön 12.6.1938. Tämän jälkeen stadionin asu on muuttunut moneen kertaan.

1939 Jo vuoden kuluttua valmistumisesta stadionin katsomokapasiteettia kasvatettiin tilapäisesti 26 000 katsojasta 62 000:een. Toisen maailmansodan takia kisat kuitenkin peruuntuivat. Pommitukset vaurioittivat olympiastadionia, mutta vain lievästi. Stadionille osui yhteensä 16 pommia ja sen läheisyyteen seitsemän. Vauriot korjattiin 1945-1946 Sotavahinkoyhdistyksen myöntämillä varoilla.

1947–1952 Vuonna 1952 olympialaiset lopulta järjestettiin Helsingissä. Välttämättömät laajennustyöt suunnitteli toinen alkuperäisistä arkkitehdeistä, Yrjö Lindegren. Vuoden 1940 kisoihin rakennettu puukatsomo purettiin, betonikatsomoa korotettiin noin 50 000 katsojalle ja sen ympärille rakennettiin vielä puurakenteinen katsomo 20 000 katsojalle.

1953–1956 Tilapäinen puukatsomo purettiin jo 1953. Nykyisen ulkoasunsa stadion sai vuonna 1955. Tässä vaiheessa rakennettiin muun muassa katsomojen alle toimistotiloja ja edelleen toimiva retkeilymaja.

1971 Stadionin korjausten ja muutosten rytmin on määrännyt pitkälti yleisurheilun suurkisojen järjestäminen. Vuoden -71 EM-kisojen edellä suorituspaikat päällystettiin. Samalla juoksuratojen määrä kasvoi kuudesta kahdeksaan.

1983 MM-kisoja varten tehtiin 5000 katsojan lisäkatsomo.

1991–1994 90-luvu alussa tehtiin suuri peruskorjaus. Osa katsomorakenteista purettiin ja rakennettiin uudelleen elementtirakenteisina. Istumapaikkoja oli 40 000.

2004–2005 Keväällä 2002 Suomi sai järjestettäväkseen vuoden 2005 yleisurheilun maailmanmestaruuskilpailut, ja katettujen katsomopaikkojen määrää haluttiin lisätä. Samalla katettiin takasuoran katsomo.

2011 Vuonna 2011 valmistui stadionin tornin remontti. Samassa yhetydessä toteutettiin eri osien peruskorjauksia.