Het Stadio Olimpico werd gebouwd als onderdeel van het Foro Mussolini, een olympisch park aan de oevers van de Tiber, vernoemd naar de Italiaanse dictator. Dit park werd in 1932, na vijf jaar bouwen, geopend als locatie voor de Olympische Spelen in 1944 (uiteindelijk ging de organisatie naar London, voordat de Tweede Wereldoorlog begon en het toernooi geen doorgang vond). Het Stadio Olimpico was het middelpunt van het park. Enkele jaren later werd er begonnen aan de bouw van een tweede ring.

In 1940 brak de Tweede Wereldoorlog uit, wat een streep zette door de bouw. Pas in 1953 kon het stadion opnieuw geopend worden. Het park is dan hernoemd tot Foro Italico, en het stadion tot Stadio dei Centomila. Het olympische stadion, dat 80.000 mensen kon verbergen, werd geopend met een wedstrijd tussen de nationale elftallen van Italië en Hongarije. Ferenc Puskás en zijn landgenoten wonnen met 3-0. Direct na de opening maakte de twee Romeinse clubs, AS Roma en SS Lazio, van het stadion hun thuisbasis.

In 1960 mocht de stad Rome alsnog de organisatie van de Olympische Spelen op zich nemen, waardoor het park alsnog zijn bedoelde taak kreeg als olympisch park, en het Stadio Olimpico als plek voor de ceremonies en de atletiekwedstrijden. Ook na de Spelen was het stadion nog vaak het toneel van belangrijke atletiekwedstrijden, zoals het WK Atletiek in 1987.

1990
Voor de organisatie van het WK van 1990 werd het Stadio Olimpico ingrijpend gerenoveerd. Dit dwong AS Roma en Lazio ertoe gedurende het seizoen 1989/1990 tijdelijk hun thuiswedstrijden in het Stadio Flaminio af te werken. De plannen die er lagen moesten meerdere keren worden aangepast, wat er uiteindelijk toe leidde dat het stadion bijna geheel opnieuw werd opgebouwd. De curvas werden negen meter dichter bij het veld geplaatst en werden flink in de hoogte uitgebouwd. Dit bracht de capaciteit op 82,000 plaatsen. Tevens werd er een dak op de tribunes geplaatst. De dakconstructie wordt omhooggehouden door twaalf stalen pilaren die om de stadionconstructie heen staan.

In 2008 werd het stadion op een aantal punten gerenoveerd voor de Champions League-finale van 2009. Onder andere de kleedkamers, veiligheid, sanitaire voorzieningen en de stoeltjes werden aangepast. Dit bracht de capaciteit omlaag tot 73.261, maar maakte van Stadio Olimpico wel een UEFA Elite Stadion.

Toekomst
In 2014 maakte de clubleiding van AS Roma bekend bezig te zijn met de realisatie van een eigen stadion. Op de plaats van de huidige Tor di Valle paardenracebaan zal in augustus 2017 een 52.500 plaatsen tellende voetbalarena herrijzen, geheel gefinancierd en beheert door AS Roma. Lazio zal achterblijven in Olimpico, al hebben ook zij plannen voor een eigen stadion.

Stadio Olimpico
Bespelers: AS Roma, SS Lazio
Capaciteit:
72.700
Geopend: 
1932
Verbouwd: 
1987-1990, 2008

Topwedstrijden
1968: Italië – Joegoslavië 1-1, 2-0 (Europees kampioenschap)
1977: Liverpool – Borussia Mönchengladbach 3-1 (Europacup I)
1984: Liverpool – AS Roma 1-1, 4-2 n.s. (Europacup I)
1980: West-Duitsland – België 2-1 (Europees kampioenschap)
1990: West-Duitsland – Argentinië 1-0 (Wereldkampioenschap)
1996: Juventus – Ajax 1-1, 5-3 n.s. (Champions League)
2009: FC Barcelona – Manchester United 2-1 (Champions League)
2020: Drie groepswedstrijden en een kwartfinale (EURO 2020)