Khu đất xây dựng Nhà Hát Lớn trước kia là một vùng đầm lầy thuộc đất của hai làng Thạch Tần và Tây Luông thuộc Tổng Phúc Lân Huyện Thọ Xương. Vào năm 1899 hội đồng thành phố nhóm họp dưới quyền chủ tọa của Richard – là Công sứ Hà Nội đề nghị lên tòan quyền Fourer cho xây Nhà Hát.
Tác giả đồ án thiết kế là hai kiến trúc sư Harlay và Broyer. Bản thiết kế này phải sửa đổi nhiều bởi sự góp ý của nhiều kiến trúc sư.
Công trình được khởi công vào ngày 7 tháng 6 năm 1901, dưới sự giám sát kỹ thuật của thanh tra đô thị – kiến trúc sư Harlay – một trong hai tác giả thiết kế. Người phụ trách thi công là hai ông Travary và Savelon.
Việc san lấp mặt bằng diễn ra rất vất vả. Hàng ngày có 300 công nhân làm việc, 35000 cọc tre được đóng với khối bê tông dày 90 cm. Công trình phải sử dụng hơn 12000m3 vật liệu, gần 600 tấn gang thép. Công trình chiếm diện tích 2600m2, chiều dài công trình là 87m, chiều rộng là 30m, điểm cao nhất của công trình so với mặt đường là 34m. Mặt trước của công trình rất bề thế, có nhiều bậc trông ra quảng trường rộng ( Nay gọi là quảng trường Cách mạng tháng 8 ), Những bậc thềm chạy dài trước Nhà hát trước đây để đón thẳng các xe của các quan chức thuộc địa đến xem.
Những người thiết kế công trình đã tìm tòi tham khảo kiểu kiến trúc cổ Hy Lạp Coranhtơ kết hợp với kiểu lâu đài Tuylory và nhà hát Opera Paris để tạo nên một khối kiến trúc riêng biệt.
Bên trong nhà hát trước đây có sân khấu rộng và một phòng khán giả chính có diện tích 24x24m, ngày đó chứa được 870 chỗ ngồi, ghế ngồi bọc da, một số chỗ bọc bằng nhung. Tầng giữa có nhiều phòng nhỏ dành cho khán giả có vé riêng. Cầu thang giữa lên tầng hai là một sảnh chính rộng. Cầu thang phụ và hành lang ở hai bên. Phía sau nhà hát là một phòng quản trị, có 18 buồng cho diễn viên hoá trang, 2 phòng tập hát, 1 thư viện và phòng họp. Phía mặt trước trên tầng II là phòng gương rất lộng lẫy. Kinh phí xây dựng Nhà hát được duyệt vào lúc đó là 2.000.000 Frăng Pháp.
Nhà hát lúc đó được sử dụng là nơi biểu diễn các loại hình nghệ thuật cố điển như Opera, nhạc thính phòng, kịch nói… phục vụ cho tầng lớp quan lại thượng lưu người Pháp và một số ít người Việt giàu có. Lịch biểu diễn thời đó một tuần có 4 lần vào thứ ba, thứ năm, thứ bảy và chủ nhật.
Nhà hát lớn Hà nội có một giá trị rất lớn về mặt lịch sử, kiến trúc và giá trị sử dụng. Nó là bằng chứng lịch sử của sự phát triển văn hóa và xã hội của Hà Nội và Việt nam thời kỳ Pháp thuộc, là một di tích của một giai đoạn phát triển kiến trúc ở Việt Nam cuối thế kỷ XIX đầu thế kỷ XX. Nhà hát lớn Hà Nội và Quảng trường Nhà hát là nơi diễn ra những sự kiện lịch sử trọng đại gắn liền với cuộc Cách mạng Tháng 8 và những năm đầu của nước Việt Nam Dân chủ Cộng hòa.
Ngày 17/8/1945 tại Quảng trường Nhà hát đã diễn ra cuộc mít tinh ra mắt Mặt trận Việt Minh.
Ngày 29/8/1945 Đoàn quân giải phóng Việt Bắc về Hà Nội ra mắt tại Quảng trường Nhà hát lớn Hà nội.
Ngày 16/9/1945 tại Quảng trường Nhà hát đã diễn ra Tuần lễ vàng.
Đầu tháng 10/1945 tổ chức ngày Nam Bộ kháng chiến tại Quảng trường Nhà hát.
Ngày 5/3/1945 Quốc hội nước Việt Nam dân chủ Cộng hòa họp khóa đầu tiên tại Nhà hát Lớn Hà Nội.
Ngày 2/9/1946 cuộc họp kỷ niệm 1 năm Chính quyền Việt Nam Dân chủ Cộng hòa và đó cũng là ngày Bác Hồ lần đầu tiên đặt chân vào Nhà hát lớn Hà Nội.
Ngày 28/10/1946 quốc hội họp khóa II thông qua Hiến pháp nước Việt Nam dân chủ Cộng hòa và kể từ đó Nhà Hát Lớn Hà Nội là nơi Quốc hội họp kỳ thứ nhất, thứ hai, thứ tư và mấy khóa kế tiếp cho đến ngày có Hội trường Ba Đình.
Nhà hát Lớn Hà Nội là nơi đã chứng kiến những giây phút hòa bình đầu tiên trên đất nước của chúng ta, và là một nhân chứng cách mạng của Thủ đô Hà Nội. Từ đó đến nay Nhà hát luôn luôn là trung tâm của các cuộc họp, hội nghị, họp quan trọng và các buổi biểu diễn mang tính nghệ thuật cao của các đòan nghệ thuật trong nước và quốc tế.
Trải qua hơn 80 năm sử dụng, Nhà hát đã bị xuống cấp rất nhiều. Các không gian bên trong: từ trang trí, vật liệu, màu sắc, tiện nghi phục vụ đến các thiết bị kỹ thuiật quan trọng dành cho Nhà hát đều đã ngày càng cũ kỹ lạc hậu, không còn đúng với các tiêu chuẩn của các cuộc trình diễn mang tính Quốc tế. Về không gian bên ngoài Nhà hát ngày càng xuất hiện nhiều công trình không phù hợp dễ phá vỡ không gian kiến trúc của Nhà hát. Vì vậy vào năm 1994, Nhà hát Lớn Hà Nội đã được chính phủ phê duyệt việc trùng tu, nâng cấp. Công trình trùng tu được khởi công vào năm 1995 và hoàn thành vào năm 1997. Công trình sau khi hoàn thành đã được nâng cấp và cải tạo một cách sâu rộng hơn, đầy đủ hơn xứng tầm với vai trò là một trung tâm văn hóa tiêu biểu không chỉ của Hà Nội, của cả nước mà còn là của cả khu vực Đông Nam Á.
Nhà hát lớn Hà Nội là một công trình kiến trúc có một không hai với những giá trị kiệt xuất về lịch sử, văn hoá, kiến trúc và mỹ thuật. Một thành phần hiếm có của đô thị và kiến trúc thủ đô góp phần tạo lập bộ mặt đất nước ta ngày nay trong lĩnh vực văn hoá, tạo ra những tiền đề cần thiết cho sự mở rộng giao lưu văn hoá, trong công cuộc phát triển kinh tế xã hội hiện nay, đặc biệt trong công cuộc chấn hưng văn hoá dân tộc.