Le prime installazioni in legno, probabilmente in gran parte mobili, risalirebbero all'epoca di Tarquinio Prisco, nella prima metà del VI secolo a.C. La costruzione di primi impianti stabili risalirebbe al 329 a.C., quando furono edificati i primi carceres. Le prime strutture in muratura, soprattutto legate alle attrezzature per le gare, si ebbero probabilmente solo nel II secolo a.C. e fu Gaio Giulio Cesare a costruire i primi sedili in muratura e a dare la forma definitiva all'edificio, a partire dal 46 a.C.

Il monumento venne restaurato dopo un incendio e probabilmente completato da Augusto, che per decorare la spina vi aggiunse (come testimoniato da una moneta di Caracalla) un obelisco dell'epoca di Ramses II portato dall'Egitto, l'obelisco flaminio, che nel XVI secolo fu spostato da papa Sisto V in piazza del Popolo. Nel 357 un secondo obelisco fu portato a Roma per volere dell'imperatore Costanzo II ed eretto dal praefectus urbi Memmio Vitrasio Orfito sulla spina; oggi si trova davanti San Giovanni in Laterano.

Altri restauri avvennero sotto gli imperatori Tiberio e Nerone e un arco venne eretto da Tito nell'81 al centro del lato corto curvilineo: si trattava di un passaggio monumentale integrato nelle strutture del circo.

Dopo un grave incendio sotto Domiziano, la ricostruzione, probabilmente già iniziata sotto questo imperatore, venne completata da Traiano nel 103: a quest'epoca risalgono la maggior parte dei resti giunti fino a noi. Sono ricordati ancora restauri sotto Antonino Pio, Caracalla e Costantino I. Il circo rimase in efficienza fino alle ultime gare organizzate da Totila nel 549.