Театральная Одесса ведёт свою историю практически с момента основания города. Театр оперы и балета по праву можно назвать старейшиной среди целого ряда его культурных учреждений. Одесса получила право строить театр в 1804 году (став третьим городом с театром в Российской империи), а в 1809 году он был уже возведён. Автором этого проекта был известный французский архитектор Тома де Томон, автор ряда зданий в Петербурге. Именно это здание посещал А. С. Пушкин во время своего пребывания в Одессе в 1823-24 годах.
10 февраля 1810 года состоялось торжественное открытие. Здание неоднократно перестраивалось. Работы по последней переделке здания окончились 31 декабря 1872 года, а в ночь на 2 января 1873 театр полностью сгорел из-за возгорания газового рожка, освещающего часы в ночное время.
Современное здание построено в 1887 году архитекторами Фельнером и Гельмером в стиле венского барокко. Архитектура зрительного зала выдержана в стиле позднего французского рококо. Уникальная акустика подковообразного зала позволяет доносить даже шёпот со сцены в любой уголок зала. Полная реставрация здания театра была завершена в 2007 году.
В 1926 году театру было присвоено звание «Академический». 31 августа 2007 года указом Президента Украины № 807/2007 Одесскому академическому театру оперы и балета присвоен статус «Национального».