1882 eröffnet, 1902 bereits mit einer U-Bahnstation versehen und 1920 nach Berlin eingemeindet (bis dato war Charlottenburg eines selbstständige, preußische Großstadt), wurde der Bahnhof bereits ab 1934 umfangreich und im laufenden S-Bahnbetrieb umgebaut, um rechtzeitig zur Olympiade 1936 ein repräsentativer Fernbahnhof zu sein. Fertiggestellt wurde die neue Halle tatsächlich jedoch erst 1940, der Kriegsausbruch kam dazwischen.
Ab den 1970er Jahren verkam der Bahnhof Zoo zu einem Treffpunkt der Drogen- und Stricherszene, berühmt geworden sind die Erzählungen der „Christiane F.“ in „Wir Kinder vom Bahnhof Zoo“.