1936年、ベルリンオリンピックのメインスタジアムとして開場。ベルリンオリンピックでは陸上競技やサッカー競技が開催された。また、オリンピアシュタディオンは小規模ながら、スポーツコンプレックスの体裁をとっており、スタジアム横にプールが併設されている。オリンピックではこのプールで水泳競技が開催された。なお、当スタジアムのメインスタンドから向かって左側のサイドスタンドは、中央部分が欠ききれているが、これはオリンピックでの聖火台の跡である。
1974年には、ワールドカップ西ドイツ大会の会場となった。ただし、ベルリンの取り扱いについては、西ドイツと東ドイツで意見の相違が在った為、東ドイツは一時期ベルリンでの開催に反対した。なお、西ベルリンは1991年のドイツ再統一までは、法律上はアメリカ合衆国、イギリス、フランスにより管理されていた(実質上は西ドイツの飛び地)為、西ベルリンで開催された3試合はワールドカップで唯一開催国以外で開催された試合になっている。
2006年のワールドカップドイツ大会の会場として、再びワールドカップの舞台として使用された。この時に、FIFAの定めるスタジアムのスペックにあわせる為に、大規模な改修工事を行っている。スタンドの上に設置されている屋根もこの時に設置された。決勝戦を含めた6試合がオリンピアシュタディオンで開催されている。ワールドカップの決勝戦が首都のスタジアムで行われるのは、1990年のイタリア大会以来となった。
2009年には、世界陸上選手権ベルリン大会の会場として使用されている。