В начале XX столетия в странах Европы и Америки широкое развитие получило создание в городах стадионов и других спортивных площадок для занятий физической культурой. В 20-х годах такие сооружения начинают появляться и в СССР. Вопрос строительства стадиона в Киеве поднимался еще в 1914 г., но тогда помешала Первая мировая война. В начале 20-х годов благодаря инициативе венгерского политического деятеля-интернационалиста Лайоша Гавро у подножия Черепановой горы появляется «Красный стадион им. Л. Троцкого». Проект был разработан инженером Л.И. Пильвинским. В качестве южной и восточной трибун использовались склоны Черепановой горы; северную и западную построили из обломков зданий, засыпав их землей. Для размещения зрителей вокруг спортивного поля были устроены трибуны в виде длинных скамей, составленных в 10 рядов; при этом трибуны были рассчитаны на 14 000 мест. 12 августа 1923 г. на стадионе проводятся соревнования первой Олимпиады Киевщины: именно эта дата по праву считается днем рождения стадиона.

В 1924 г. было перестроено футбольное поле 120х70 м с ориентацией запад-восток. Вокруг поля соорудили беговые дорожки, а также построили раздевали и душевые. С 1925 г. на стадионе проходило большинство матчей на первенство города. Вообще, Красный стадион дал большой толчок развитию массового спортивного движения в Киеве. На тот момент он был лучшей футбольной ареной города, и до открытия стадиона «Динамо» на нем проводились все значимые матчи. На Красном стадионе проводились и другие решающие соревнования, формировалось мастерство спортсменов и игроков того времени.

Красный стадион действовал до 1933 г., когда открылся стадион «Динамо» с трибунами на 18 000 мест. Когда в 1934 г. Киев стал столицей УССР, сразу встал вопрос о необходимости сооружения более крупной спортивной арены. В 1935 г. был проведен конкурс на «поднятие» Красного стадиона на более высокий уровень, победителем которого стал проект архитектора М.И. Гречины под названием «Украинский республиканский стадион». Интересно, что почти все последующие изменения и реконструкции на стадионе были также связаны с именем этого архитектора. Согласно проекту должно было быть выполнено строительство нового стадиона частично на территории старого. Были предусмотрены трибуны на 50 000 мест, общая площадь занимаемой территории составляла 80 га. Стадион окружала широкая аллея, засаженная кленами. Также очень скрупулезно подошли к вопросу возможности быстрой эвакуации болельщиков. Так, например, с западной стороны стадиона планировалось обустроить просторную площадь, а количество трамвайных маршрутов в районе стадиона предусматривали увеличить с 9 до 15. Предполагалось, что новая спортивная арена станет одной из крупнейших в СССР – после стадионов в Москве и Ленинграде.

Строительство новой арены началось в 1936 г. Стройка впечатляла масштабами, на ней трудились десятки тысяч киевлян. Новый стадион уже имел черты современной арены: восточные трибуны повторяли рельеф Черепановой горы, а западные были искусственными, а также содержали административный комплекс с правительственной трибуной, гостиницей, спортивными залами и подсобными помещениями. На трибуны вели широкие лестницы из красного гранита. Были смонтированы системы освещения и радиофикации. Рядом, у подножия Черепановой горы, были построены площадки для волейбола, тенниса, баскетбола и городков. Главный вход стадиона должна была украшать величественная колоннада из 22 колонн коринфского ордена, но к началу войны ее так и не достроили. Также из-за нехватки денег отказались и от монументальной ограды.

Второе открытие стадиона планировались 22 июня 1941 г. одновременно с матчем киевского «Динамо» и команды ЦДКА из Москвы. Новый стадион получил название «Республиканский стадион им. Н.С. Хрущева». Однако, по понятным причинам, открытия в тот день не произошло. При этом раскупленные билеты были объявлены действительными до лучших времен. Во время оккупации на стадионе проводились матчи спортивного общества «Рух» – специально созданное одним из футболистов «Желдора» Г. Швецовым для спортсменов, признавших новую власть. Официально в этот период стадион был открыт 12 июля 1942 г. с разрешения штадткомиссариата.

После освобождения Киева 6 ноября 1943 г. стадион было трудно узнать. Хотя во время войны его специально не бомбили, случайные попадания все же имели место. К тому же на стадионе «квартировались» как свои, так и чужие войска. Отступая, немцы вывезли ажурные входные ворота и ограду, окна и двери, разрушили водопровод, освещение, радиосеть т.д., поэтому стадион пришлось восстанавливать. За полгода стадион был благоустроен и торжественно открыт 25 июня 1944 г. Интересно, что в день открытия состоялся матч между теми же двумя командами, которые должны были играть 22 июня 1941 г. Вот только из 22 динамовцев, которые должны были участвовать в матче 41-го, присутствовало только 2 человека…

Во время дальнейшего восстановления стадиона комплекс сооружений был приведен в соответствие с довоенными проектами, в т.ч. были реализованы замыслы, не осуществленные до войны (колоннада, ограда и пр.). Кроме того, была поставлена задача решить вопрос освещения поля для проведения матчей в вечернее время и установки современного табло. Табло до 1949 г. не было вообще, а результаты матча демонстрировали на табличках, вывешенных на мачтах с лестницами. Для замены табличек в ходе матча на мачту поднимались работники стадиона. Из-за нехватки финансирования работы растянулись на годы, и обновленный стадион вновь открыли только в 1949 г. В начале 50-х над трибунами южных ворот наконец появилось деревянное табло размером 6х3 м. После каждого забитого мяча работник стадиона по специальной лестнице поднимался вверх и менял таблички на табло. В 1954 г. завершилось строительство колоннады перед западной трибуной. А в 1956 г.были установлены четыре 45-метровые металлические башни с 320 прожекторами. Теперь матчи на на стадионе можно было проводить и вечером. В том же году появилось более современное табло с электрическими лампами и часами посередине.

В 1962 г. стадион сменил название на «Центральный стадион». В том же году было демонтировано старое табло и начата установка нового электронного табло, на котором зрители впервые увидели счет матча с указанием минут, на которых были забиты мячи, и фамилий их авторов.

Вторая большая реконструкция стадиона была начата в 1966 г. Проект был разработан архитекторами Киевского зонального научно-исследовательского института типового и экспериментального проектирования, а также Киевпроекта. Главным изменением должна была стать установка второго яруса трибун, смонтированных на оригинальных двухконсольных железобетонных ригелях. Обновленный стадион был расчитан на 100 000 мест. Тогда же был построен репортерский комплекс над западными трибунами и смонтирован трамплин для прыжков на лыжах. Вновь изменилось табло: два новых табло имели размеры 18х6 м и показывали время, дату, температуру воздуха, название команд, счет матча и авторов забитых мячей.

Третий капитальный ремонт на Центральном стадионе начался в 1977 г. в преддверии футбольного турнира XXII летних Олимпийских игр 1980 года. Была усовершенствована дренажная система поля, заменен грунт на поле, установлена чаша для олимпийского огня. Были также заменены мачты освещения на новые 82-метровые. На каждой мачте были установлены 132 прожектора. В период этой реконструкции на территории Центрального стадиона были построены площадка для метания диска, ядра, копья и молота, новый уникальный трамплин, который держала вантовая конструкция, и пр.

К 1980 г. стадиону вернули прежнее название – Республиканский. 20-27 июля 1980 г. на стадионе состоялись футбольные матчи участников Олимпийских игр – команд Алжира, Ирака, Испании, Коста-Рики, ГДР, Сирии и Финляндии. Было проведено шесть матчей группового турнира и один четвертьфинал.

Кроме Олимпийских игр, 70-80 гг. в жизни стадиона были отмечены значительными достижениями киевского футбола на европейской арене. Киевское «Динамо» победило в розыгрыше Кубка обладателей Кубка УЕФА 1974/75 гг. и получило право побороться за Суперкубок УЕФА. Решающий матч в борьбе за Кубок состоялся 6 октября 1975 г. на Республиканском стадионе.

В 1996 г. стадион был вновь переименован и получил современное название Национальный спортивный комплекс «Олимпийский».

С целью приведения НСК Олимпийский к современным международным стандартам в конце 90-х гг. была проведена еще одна реконструкция, во время которой были установлены индивидуальные сидения, в результате вместимость уменьшилась до 83 000. Также было заменено покрытие беговых дорожек и футбольного поля, которое теперь стало соответствовать международным требованиям.

Последняя капитальная реконструкция началась в 2008 г. в рамках подготовки к проведению в 2012 г. чемпионата Европы по футболу. НСК «Олимпийский» считается главным стадионом будущего чемпионата Европы: на нем состоится финал соревнования и церемония закрытия. В ходе реконструкции по проекту немецкой компании GMP на базе старой конструкции была создана современная спортивная арена класса «Элит» с новой системой безопасности, бОльшим количеством подходов к стадиону, системами видеонаблюдения и пр. Нижний ярус трибун был демонтирован и смонтирован заново с увеличением угла наклона трибун к полю. Верхний ярус был полностью сохранен в прежнем виде, за исключением западной трибуны, полностью перестроенной под VIP-зону. Над трибунами был обустроен навес, а чаша снаружи закрыта стеклянным фасадом. Обновленный спортивный комплекс вмещает 70 000 болельщиков.

Во время чемпионата Европы по футболу 2012 года, который пройдёт в Украине и в Польше, на «Олимпийском» должны пройти запланированные три матча группового этапа, один из четвертьфиналов и финал чемпионата Европы по футболу.