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La fundación de la Estación Zoológica se remonta a marzo de 1872. Anton Dohrn, el fundador y primer director, nació en Szczecin, Pomerania, ahora parte de Polonia, en 1840, en el seno de una familia de clase media acomodada. Dohrn estudió zoología y medicina en varias universidades alemanas, pero sin mucho entusiasmo. Sus ideales cambiaron en el verano de 1862, cuando llegó a Jena y conoció allí a Ernst Haeckel, que le dio a conocer las obras y teorías de Charles Darwin. Dohrn se convirtió en un ferviente defensor de la teoría de Darwin de la "descendencia con modificación", la teoría de la evolución por selección natural. Decidió entonces dedicar su vida a recopilar hechos e ideas en apoyo del darwinismo, y esto se convirtió en el punto de partida de una aventura de por vida. Durante su carrera universitaria pasó periodos de investigación en la orilla del mar: en Heligoland, Hamburgo, Millport en Escocia y Messina. Aquí tomó forma el plan de cubrir el globo con una red de estaciones de investigación biológica, análogas a las estaciones de ferrocarril, donde los científicos podían detenerse, recoger material, realizar observaciones y experimentos, antes de pasar a la siguiente estación. Ante las numerosas dificultades, Dohrn empezó a fantasear con la posibilidad de que los biólogos marinos llegaran al mar y encontraran una mesa de trabajo ya preparada, con un laboratorio, instalaciones, productos químicos, revistas y libros, e información sobre dónde y cuándo se podían encontrar determinadas especies, junto con información útil sobre las condiciones locales del mar, el fondo marino y la costa. Tras intentar su proyecto en Mesina, Dohrn decidió que Nápoles sería el lugar ideal para su estación. La elección de esta ciudad se debió a la gran riqueza biológica del Mar Mediterráneo y también a la posibilidad de desarrollar un instituto de investigación de gran importancia internacional en una ciudad de por sí internacional y de gran tamaño. Tras una visita al acuario de Berlín, que acababa de inaugurarse, pensó que un acuario público podría ganar lo suficiente para pagar un asistente permanente para los laboratorios. Nápoles, con sus 500.000 habitantes, era una de las ciudades más grandes y atractivas de Europa, con una gran afluencia de turistas (30.000 al año), potenciales visitantes del acuario. Combinando imaginación, fuerza de voluntad, dotes diplomáticas y una buena dosis de suerte, con el apoyo amistoso de científicos, artistas y músicos, Anton Dohrn superó las dudas, la ignorancia y los malentendidos y consiguió convencer a las autoridades de la ciudad para que le cedieran gratuitamente un terreno a orillas del mar, en la hermosa Villa Comunale, entonces Parque Real. Por su parte, prometió construir la Estación Zoológica a su costa. Dohrn sabía exactamente lo que quería y cómo, y preparó él mismo los planos de la construcción. Los cimientos se pusieron en marzo de 1872 y en septiembre de 1873 el edificio estaba terminado. Tras el primer edificio, actualmente la parte central, se añadió en 1885-1888 un segundo edificio, conectado al primero por un puente, mientras que el patio y la parte occidental se construyeron en 1905. Sólo cincuenta años después, la biblioteca se insertó entre el primer y el segundo edificio.
El acuario público, con una superficie de 527 metros cuadrados, se inauguró el 26 de enero de 1874 y sigue siendo único hasta hoy, ya que ha cambiado muy poco desde su creación; es el acuario más antiguo del siglo XIX que sigue en funcionamiento y el único dedicado exclusivamente a la fauna y la flora mediterráneas. Se construyó bajo la supervisión de William Alford Lloyd, un ingeniero inglés que había contribuido al diseño de los acuarios públicos de Hamburgo y Londres. La inauguración oficial de la Estación Zoológica tuvo lugar el 14 de abril de 1875. Según recientes estudios de sociología de la organización, la Estación Zoológica anticipaba un modelo postindustrial de planificación de la investigación científica en plena era industrial, que favorecía temas típicamente actuales como la interdisciplinariedad, la capacidad de gestión para la autofinanciación (a través del acuario y la venta de animales marinos a otros institutos de investigación, etc.), y el fomento de la cooperación y la colaboración de todos los implicados en la investigación (colaboradores, técnicos, pescadores y ordenanzas). Hasta 19 premios Nobel han trabajado activamente en sus laboratorios, dando un importante impulso al desarrollo de las ciencias biológicas.
