Fu fatto costruire nel Campo Marzio tra l'85-86 d.C. da Domiziano, sia per offrire al popolo un'ulteriore sede di festa (e di lode dell'imperatore), sia per soddisfare l'imperiale passione per l'atletica. Lo stadio aveva una capienza di circa 30.000 spettatori. Fu restaurato nel III secolo da Alessandro Severo - e da questo gli derivò il nome di Circus Alexandrinus, che mantenne per tutto il medioevo - e restò in uso fino al V secolo.

Durante il medioevo sulle strutture del circo crebbero prima costruzioni povere e successivamente palazzi e chiese che ne utilizzarono i materiali e ne seguirono il perimetro; lo spazio dell'arena tuttavia, benché si andasse lentamente interrando per effetto dei crolli ma anche delle alluvioni del Tevere, non fu mai occupato stabilmente, ed è oggi Piazza Navona. Il piano di calpestìo antico, come si vede dall'affaccio alle arcate su Tor Sanguigna, è più basso di circa 5 metri rispetto a quello moderno, e tuttavia le murature imperiali rimasero sempre parzialmente note, seppur considerate grotte, e con esse la memoria del circo: la chiesa di Sant'Agnese in Agone, ad esempio, era denominata S. Agnese de cryptis Agonis.

Dopo i primi scavi delle cripte nel 1511, che produssero basi e fregi scolpiti, anche il Circo agonale divenne una cava di materiali edili di pregio: Pio IV fece demolire un settore della fiancata su Corso del Rinascimento verso Palazzo Madama per costruire il suo casino nei giardini vaticani; materiali dell'altra fiancata servirono man mano per la costruzione di S. Nicola dei Lorenesi, del Palazzo Pamphilj di piazza Navona, del Palazzo Braschi.

Nel 1936, demolendo le costruzioni sul lato nord della piazza, fu infine riportato alla luce un ampio spicchio della curva nord al piano terreno dello stadio, comprendente murature, pilastri, scale alle gradinate superiori. Sopra lo spazio liberato fu costruito un unico ampio immobile dell'INA, ma le murature antiche vennero salvate e rimasero parzialmente visibili dall'esterno e accessibili alle visite.