As obras do Estádio Nilton Santos começaram em 16 de dezembro de 2003. Foi a primeira construção iniciada para os Jogos Pan-Americanos de 2007. A data de conclusão da obra foi adiada quatro vezes. Inicialmente prevista para 2006, ficou pronta no ano seguinte. Semanas antes do Pan começar, ainda havia reparos para fazer.
Durante o Pan do Rio, o Estádio foi sede de partidas de futebol feminino e masculino. Além, é claro, das disputas de atletismo.
Construído no governo Cesar Maia e de propriedade municipal, o estádio foi arrendado pelo Botafogo no ano de sua inauguração até 2027, com possibilidade de prorrogação por mais 2 anos — portanto até 2029 — por conta do período de interdição.
Atualmente, tem capacidade total para mais de 44 mil pessoas sentadas, tendo sido considerado o estádio mais moderno e o mais bonito da América Latina à época de sua construção.
Em janeiro de 2017, o prefeito Marcelo Crivella rebatizou oficialmente o nome do estádio como Nilton Santos. A mudança foi publicada no Diário Oficial do município.
