Teren zajmowany przez dzisiejszy Ogród Zoobotaniczny w Toruniu leży na terenie średniowiecznej osady flisaków i rybaków - Małe Rybaki. Jak wynika z badań, obszar ten był w XV-XVI w. miejscem wybierania gliny do wyrobu cegieł i ich wypalania. Można więc przypuszczać, że część toruńskiej Starówki została zbudowana z cegieł tu powstałych.
W drugiej połowie XVII w. znajdował się tu dworek z budynkami gospodarskimi oraz dużym ogrodem, który należał do barona Karola Zahradeckiego. Był to typowy folwark, w którym zajmowano się produkcją żywności i zapewne hodowlą zwierząt. Z końcem XVII w. majątek, z powodu zadłużenia, został przejęty przez Kmlarię (stałą komisję ds. finansowych Rady Miejskiej). Dokładna data powstania Ogrodu Botanicznego (obecnie Zoobotanicznego) w Toruniu nie jest znana, ale można powiązać ją z faktem nabycia całego majątku przez dr med. Johanna Gottlieba Schultza w 1797 r.
Dr Johann Gottlieb Schultz - botanik z zamiłowania - uporządkował istniejący drzewostan, wprowadził wiele cennych okazów roślin z różnych zakątków Europy. Doprowadził do powstania ogrodu botanicznego o cechach parku romantyczno-krajobrazowego z bogatym programem użytkowym. Urządził aleje, mosty, śluzy, altany, posągi, zegar słoneczny, ptaszarnię, dwór oraz typowe zabudowania gospodarcze wkomponowane w naturalny krajobraz. Zmarł 18 czerwca 1827 r. i zgodnie z jego ostatnią wolą pochowano go w grobowcu na terenie Ogrodu. Nie założył rodziny, a cały swój majątek zapisał w testamencie Królewskiemu Gimnazjum w Toruniu z przeznaczeniem na cele dydaktyczne.
Posiadłość niemal do końca XIX w. była w dobrych rękach ogrodników - dzierżawców. Na przełomie XIX w. i XX w. Ogród powoli upadał. Działo się tak na skutek szybkiego rozwoju Bydgoskiego Przedmieścia, jak i rozdrobnienia dzierżaw. Drzewa i krzewy rosnące na oddawanych miastu parcelach przesadzono w inne rejony na koszt gminy. Zniknęły wtedy bezpowrotnie stawy, a kolekcje roślin zaniedbano. Po pierwszej wojnie światowej Ogród znajdował się w stanie dewastacji. W pewnych częściach był dziko zarośniętym parkiem, a pozostałe tereny spełniały rolę sadu i warzywnika. W 1918 r. Magistrat Miasta sporządził projekt ratowania Ogrodu, który nigdy nie doczekał się realizacji. Dwa lata później Ogród przejęły władze polskiego gimnazjum - Państwowego Gimnazjum Męskiego w Toruniu im. M. Kopernika i od tej pory jego sytuacja ulegała poprawie. Do 1933 r. opiekę nad Ogrodem sprawował nauczyciel przyrody i geografii w Gimnazjum, Mieczysław Kwiatkowski. W tym czasie zrekonstruowano stare ścieżki i wytyczono nowe, urządzono zbiory złożone z setek gatunków roślin, przetrzebiono krzewy, wzbogacono drzewostan cennymi gatunkami polskimi (brzozą polarną, wisienką stepową, brekiniami, cisem) w celu praktycznej nauki botaniki. Utworzono grupy systematyczne roślin kwiatowych oraz trzy zbiory roślin pontyjskich. Podejmowano również próby doświadczalne - m.in. założono plantacje skalnicy sprowadzonej z Syberii i współpracowano z ogrodami botanicznymi w Poznaniu i Krakowie. Po drugiej wojnie światowej, od 1945 r., gospodarzem Ogrodu ponownie zostało Gimnazjum im. M. Kopernika, a od 1953 r. zarząd przejął Dom Harcerza, przekształcony później w Młodzieżowy Dom Kultury. W okresie, gdy dyrektorem MDK, a także opiekunem Ogrodu został biolog, Franciszek Podwojski, powstały pracownie działu naukowego Ogrodu, wzrosła także liczba kół zainteresowań.
Od 1965 r., za sprawą torunianina Arnberta Sadeckiego, zamieszkałego na stałe w Argentynie i zajmującego się obrotem zwierząt egzotycznych, zaczęto sprowadzać do Ogrodu pierwsze zwierzęta. Wybudowano pierwsze woliery dla ptactwa i wybiegi dla zwierząt. Sprowadzono m.in. lamy, papugę arę i jaka tybetańskiego. Sadecki zobowiązał się dostarczyć za darmo wiele innych gatunków zwierząt egzotycznych, lecz władze miasta nie były tym zainteresowane, zaś sam Ogród nie był ani obszarowo, ani finansowo przygotowany na ich przyjęcie. W latach siedemdziesiątych ruch w Ogrodzie bardzo się ożywił, gdyż umożliwiono jego powszechne zwiedzanie.
Po przejściu na emeryturę Franciszka Podwojskiego w 1984 r., kierownictwo Ogrodu przejęła Jadwiga Malczyńska, biolog, która pełniła tę funkcję do 1990 r. W tym okresie nawiązano kontakty z innymi ogrodami w kraju sprowadzając większość zwierząt, m.in. małpy, jenoty, arui i papugi.
W okresie od października 1990 r. do marca 1991 r. obowiązki kierownika Ogrodu pełniła Urszula Wierzbowska, biolog. Przeprowadzono konserwację najciekawszych okazów starodrzewia, posadzono żywopłoty, zakupiono drewno na budowę nowych domków dla zwierząt. Mimo zlikwidowanego w tym okresie działu naukowego, pozostały koła przyrodnicze.
W 1991 r. funkcję kierownika objął lekarz weterynarii, Piotr Demicki. W tym czasie kontynuowano rozbudowę wolier i ogrodzeń, zbudowano wybieg dla małp i niedźwiedzia, skaliste zbocza dla arui oraz nowe domki dla muflonów, owiec kameruńskich i kóz. Dokonano także prac ziemnych w części Ogrodu, w której znajduje się staw.
W 1993 r., decyzją radnych Miasta Torunia, Ogród Zoobotaniczny otrzymał status zakładu budżetowego finansowanego przez Urząd Miasta Torunia. W wyniku konkursu dyrektorem została Hanna Ciemiecka.
Od 1998 r. wszelkiego rodzaju inwestycje podejmowano dzięki inicjatywie członka Zarządu Miasta Torunia, Piotra Całbeckiego. Zlecił on opracowanie programu inwestycyjnego dla toruńskiego Ogrodu, przy ścisłej współpracy jego dyrektora oraz Miejskiego Konserwatora Zabytków w Toruniu. W tym czasie przygotowywano projekt utworzenia w Ogrodzie Zoobotanicznym Ośrodka Edukacji Przyrodniczo-Ekologicznej. Pracowników Ośrodka zatrudniało Toruńskie Stowarzyszenie Ekologiczne "Tilia", prowadzące działalność edukacyjną w Ogrodzie w oparciu o umowę zawartą z Ogrodem. W czasie istnienia Ośrodka w Ogrodzie Zoobotanicznym uruchomiono bogatą ofertę tematycznych zajęć edukacyjnych, w których mogły brać udział grupy zorganizowane z placówek oświatowych. Ogród angażował się w liczne kampanie miejskie, m.in. w organizację "Światowego Dnia Ochrony Środowiska", "Dnia bez Samochodu" oraz konkursu "Toruń Ogrodem", który objęty był patronatem Prezydenta Miasta Torunia. W 2008 roku Ośrodek Edukacji zakończył działalność, a w Ogrodzie utworzono dział dydaktyczno-promocyjny.
Koniec lat dziewięćdziesiątych i początek XXI wieku to dla Ogrodu czas szybkiego rozwoju. Wybudowano nowy pawilon z ekspozycją ptaków egzotycznych (2002), woliery dla ptaków grzebiących oraz wybiegi dla rysi i surykatek. Wyremontowano także herpetarium w Willi Laegnera, gdzie utworzono nowe pomieszczenia z ekspozycją pazurkowców. W 2006 roku Ogród złożył wniosek o przystąpienie placówki do prestiżowego stowarzyszenia EAZA (Europejskie Stowarzyszenie Ogrodów Zoologicznych i Akwariów). W 2007 roku po wnikliwej kontroli komisji EAZA placówka otrzymała tymczasowe członkostwo na okres 2 lat. Ogród zobowiązał się wypełnić w tym czasie zalecenia pokontrolne komisji. 19 września 2009 r., po rewizji działań podjętych przez Ogród, placówka otrzymała pozytywną ocenę i otrzymała pełne członkostwo w stowarzyszeniu EAZA, co miało miejsce podczas 26. Konferencji EAZA w Kopenhadze. Członkostwo w EAZA znacznie zwiększyło możliwości Ogrodu w pozyskiwaniu nowych, ciekawszych gatunków zwierząt objętych programami hodowlanymi (EEP) lub dla których prowadzone są księgi rodowodowe (ESB) oraz stworzyło okazję do poszerzania oraz wymiany wiedzy i doświadczeń związanych z hodowlą i ochroną gatunków zagrożonych wyginięciem. Zrealizowano ponadto duże projekty inwestycyjne, w tym budowę nowoczesnego wybiegu dla niedźwiedzi himalajskich (2010) oraz kompleksu wolier dla małych i średnich drapieżników (2012). W lutym 2012 roku Ogród Zoobotaniczny otrzymał także dofinansowanie z funduszy europejskich i miejskich. W ramach realizacji projektu "Rewitalizacja elementów Ogrodu Zoobotanicznego na Bydgoskim Przedmieściu w Toruniu" wyposażono Ogród w elementy małej architektury - stylowe ławki i kosze na śmieci w stylu romantycznym z XIX wieku, rozbudowano plac zabaw, zrekultywowano staw, utworzono wyspę i domek dla lemurów, wybudowano altanę dydaktyczną i fontannę oraz zagospodarowano fragment terenu za Ptaszarnią w stylu "ogrodu wiejskiego".
W 2012 r. stanowisko dyrektora Ogrodu Zoobotanicznego objęła Beata Gęsińska, dotychczasowy kierownik ds. hodowlano-dydaktycznych.
Oficjalne otwarcie Ośrodka Edukacji Przyrodniczo-Ekologicznej Ogrodu Zoobotanicznego w dniu 22 września 2001 r.