На территории современного Екатерининского парка до XVI века не было никакой застройки. Здесь был приток реки Неглинной, образовавший несколько прудов, из которых до наших дней сохранился только один.
В 1630-х годах здесь появилась каменная церковь Иоанна Воина, а потом сюда перевели Крестовоздвиженский монастырь. В конце XVIII века в этих местах построил свою загородную усадьбу с палатами и регулярным парком граф Салтыков, но в 1777 году имение было передано казне, и в нем разместился Инвалидный дом с домовой церковью. А в 1807 в усадьбе обосновался Екатерининский институт благородных девиц, перестроенный Доменико Жилярди. Здание было сильно повреждено в пожаре 1812 года, и в 1826-1827 годах Жилярди совместно с Афанасием Григорьевым реконструировали его в стиле позднего классицизма.
В 1818 году перед зданием разбили площадь, а сзади раскинулся Екатерининский парк.
В середине XIX века институт начал сдавать участки земли в аренду, и для подъезда к этим участкам были проложены улицы Большая и Малая Екатерининские улицы.
XX век изменил историю парка, пощадив планировку. Церковь Иоанна снесли, здание Института благородных девиц занял Центральный дом Красной Армии, возле парка появились Музей Вооруженных Сил и студия военных художников имени Грекова, к олимпиаде 1980-го года был построен спорткомплекс «Олимпийский».
В парке находится планетарий, оранжереи, спортивные и детские площадки, здесь проходит русло реки Синички, в 1958 году в парке была установлена скульптура Постникова «К звездам», посвященная освоению космоса.
В парке находится ротонда Екатерины II, восстановленная по старым чертежам. В старой ротонде императрица любила пить чай с графом Салтыковым.
