В 1890-е годы Владимир Шухов изобрел первые в мире гиперболоидные конструкции и металлические сетчатые оболочки строительных конструкций: эта идея была позаимствована из структуры плетёных крестьянских корзин. В книге «Стропила» 1897 года он доказал, что треугольная форма на 20-25 % тяжелее арочной с лучевой решёткой. После этого Шухов оформил ряд патентов на сетчатые покрытия и ажурную башню. Разрабатывая новые конструкции, архитектор стремился не только достичь большей прочности и жёсткости конструкции, но и также лёгкости и простоты за счёт использования как можно меньшего количества строительного материала.

Первая сетчатая башня форм была построена для Всероссийской промышленной и художественной выставки в Нижнем Новгороде в 1896 году, после чего куплена фабрикантом Юрием Нечаевым-Мальцовым. По проектам Шухова стали возводиться сооружения в качестве маяков, водонапорных башен, корабельных мачт и линий электропередач.

После Октябрьской социалистической революции Шухов не уехал из России, его архитектурные работы остались востребованными в РСФСР. После расчистки Москвы от ветхих строений Шухов и его конструкторское бюро участвовали в создании фундаментальных строений: покрытие зданий ГУМа, ЦУМа, Петровского пассажа, гостиницы «Метрополь», Киевского вокзала, Музея изобразительных искусств, завода «Динамо», трамвайного депо и других строений.

Одной из сетчатых конструкций в форме гиперболоида вращения стала радиоантенная башня на Шаболовке.

Построенная в 1914 году Ходынская радиостанция уже не справлялась с растущим объёмом радиограмм. 30 июля 1919 года Владимир Ленин подписал постановление Совета рабочей и крестьянской обороны, в котором содержалось требование «установить в чрезвычайно срочном порядке в г. Москве радиостанцию, оборудованную приборами и машинами наиболее совершенными и обладающими мощностью», достаточной для обеспечения безопасности страны и постоянной связи с республиками. Сразу же началось проектирование башни под эти цели. Заказчиком выступили ГОРЗы («Государственные объединенные радиотелеграфные заводы»), бывшее Русское общество беспроволочных телеграфов и телефонов (РОБТиТ), национализированное большевиками. В результате проведённого конкурса заказ получила «Строительная контора» Шухова.

Планировавшаяся высота новой башни из девяти гиперболических секций составляла 350 метров (на 15 метров выше Эйфелевой башни, которая принималась во внимание при создании плана) при расчётной массе в 2200 тонн (Эйфелева башня весит 7300 тонн). Однако в условиях нехватки ресурсов проект пришлось пересмотреть: высота была уменьшена до 148,5 метра, а масса составила 240 тонн. Новый проект был одобрен лично Лениным.

Строительство башни велось без лесов и подъёмных кранов, на лебёдках. На создание требовалось 240 тонн металла, который был выделен по личному указу Ленина из запасов Военного ведомства. Для подъёма использовалось пять деревянных кранов, которые перемещались на верхнюю секцию и помогали поднимать детали.

Башня составлена из шести секций, расположенных одна над другой. Каждая секция представляет собой самостоятельный гиперболоид, опирающийся на нижестоящий побольше. Монтаж каждой секции проводился внутри контура и поднимался на заданную высоту. Для того, чтобы основание секции прошло, нижний диаметр стягивался, а после протягивания в установленную секцию ослаблялся, стыковался и монтировался. Изначальный проект подразумевал, что несущие рёбра, находящиеся в вертикальных сечениях башни, будут соприкасаться с воображаемой поверхностью гиперболоида только в узловых точках, расположенных на горизонтальных поясах гиперболоида. Нижнее опорное кольцо прикреплено к фундаменту анкерными болтами с двух сторон от узловых опорных фасонок.

Конструкция была собрана правильно, но оборвался трос, на котором поднимали четвёртый ярус, в итоге он упал с 75-метровой высоты и повредил пятую и шестую секции, которые собирались на земле. За этот инцидент Шухов был обвинен в саботаже и приговорен к условному расстрелу с отсрочкой исполнения приговора до конца строительных работ. В процессе строительства подтвердилась настоящая причина аварии — усталость материала, после чего работы возобновились. Также в отчёте об обследовании конструкции башни в 1937 году говорится: «… металл Шуховской башни может быть отнесён к сталям Ст — 1, Ст — 2 и Ст — 3. Образцы имеют завышенное содержание вредных примесей: серы или фосфора, а в некоторых образцах — и того, и другого». Для восстановления третьей секции был использован тот же упавший металл.

Параллельно с возведением Шухов вносил коррективы в конструкцию башни. В процессе монтажа была забастовка рабочих из-за плохого питания и задержек оплаты, в остальное время они работали медленно и даже устраивали итальянскую забастовку из-за отсутствия пайка, но в зимние морозы работали вдвое дольше положенного — 7 часов вместо 3,5. Шестая секция была установлена и окончательно закреплена 14 февраля 1922 года, 28 февраля на башню поставили мачту, на чём закончились работы Шухова.

19 марта на башню установили передатчики радиовещания и началась трансляция радиопередач Московской радиотелеграфной станции. Первой трансляцией был концерт русской музыки с участием Надежды Обуховой и Бориса Евлахова. Мощность дугового генератора на башне составляла 100 кВт, а дальность — 10 тысяч км. Это было мощнее, чем радиостанции Парижа, Нью-Йорка и Берлина, можно было связаться со станциями Науэна и Рима.

В 1927 году на месте устаревшей дуговой радиостанции была создана Вторая радиостанция Коминтерна, оборудованная самым мощным на тот момент в Европе 40-киловаттным передатчиком, созданным в Нижегородской радиолаборатории под руководством Михаила Бонч‑Бруевича. Для его антенны Шухову пришлось вносить изменения в конструкцию верха — потребовалась установка дополнительного вылета. Станция стала известна как Вторая радиостанция Коминтерна («Большой Коминтерн», «Новый Коминтерн»), в отличие от первой радиостанции Коминтерна на Вознесенской улице (ныне Улица Радио). Шуховская башня стала также именоваться «Радиобашней Коминтерна».

В 1933—1937 годах помещения радиоцентра на Шаболовке использовалось в качестве опытной лаборатории Научно-испытательного института связи, а башня как радиоиспытательная.

С 1937-го с башни начали транслировать экспериментальные передачи коротковолнового катодного телевидения. В 1939 году, после строительства телецентра на Шаболовке и установки передатчика телевизионного сигнала на Шуховской башне, с неё состоялась первая в СССР телетрансляция — документальный фильм об открытии XVIII съезда ВКП(б), в этот день передачу в Москве принимало 100 телевизоров типа ТК-1. Дальнейшие телетрансляции с башни велись четыре раза в неделю по два часа.

В этом же 1939 году одномоторный почтовый самолёт, летевший из Киева в Москву, не справился с управлением и задел крылом один из тросов Шуховской башни, но она выдержала удар так, что не понадобился ремонт.

В ноябре 1941 года, когда войска вермахта подошли вплотную к Москве, начальнику Московской телевизионной филиал-лаборатории Министерства связи Александру Щетинину было поручено лично взорвать Шуховскую башню, которая была предварительно заминирована. Невыполнение приказа грозило расстрелом, однако Щетинин дождался отступления войск противника.

7 мая 1945 года, накануне вступления в силу акта о капитуляции Германии, с Шуховской башни прошла трансляция первой с начала Великой Отечественной войны телепередачи в Европе.

В 1948-м башня была снова переоборудована для перехода на высокочастотное телевидение. Так как итоговая высота Шуховской башни составила 160 метров, долгое время она была самым высоким сооружением в стране до постройки в 1967 году Останкинской телебашни. В 1950-е Шуховская башня стала официальным символом советского телевидения, её изображение долгое время использовалось в заставках телепередач, например, «Голубой огонёк». С началом работы телецентра в Останкине все передающие антенны и фидеры с Шуховской башни были демонтированы, однако аппаратно-студийный комплекс телецентра (АСК-2, бывший "Московский телевизионный центр" МТЦ) расположенный у подножья башни, продолжал использоваться для производства телепрограмм.

В 1987 году Шуховской башне был присвоен статус объекта культурного наследия регионального значения. В 1991 году специалисты ЦНИИПСК имени Мельникова сделали заключение об удовлетворительном состоянии башни и произвели её надстройку для размещения нового передающего оборудования, установив так называемую 7-ю секцию с широкополосной передающей антенной FM-диапазона.

C 2002 года башня не используется для теле- и радиовещания, но находится в пользовании (на балансе, в собственности) Российской телевизионной и радиовещательной сети (РТРС), также на ней размещены передатчики сотовой связи.

За всё время существования Шуховская башня ни разу не подвергалась полноценной реставрации. В 1947-м полное исследование башни показало, что основные элементы корродированы на 5 %, анкерные болты на 5-10 %, они были очищены от ржавчины и окрашены. В 1949, 1950 и 1964 годах производилась антикоррозийная покраска её элементов. В 1971 году после исследования состояния башни при участии ЦНИИПСК имени Мельникова укрепили фундамент башни и забетонировали опорные узлы, что усилило коррозию и нарушило конструкцию, которая изначально подразумевалась как подвижная.

В 2003 году Госдума России приняла постановление № 4415‑III по наследию Владимира Шухова. Тогда был учреждён Фонд развития науки, культуры и искусства «Шуховская башня», который возглавил правнук инженера — Владимир Шухов. Специалисты установили, что башня находится в опасности: бетонирование конструкций усилило нагрузку на опоры и привело к деформации, металл оказался сильно подвержен коррозии. Стал обсуждаться вопрос о реставрации башни в первозданном виде с одновременным благоустройством её территории.

В 2009 году Владимир Путин (на тот момент — премьер-министр России) поддержал инициативу министра связи Игоря Щёголева по началу реставрационных работ на Шуховской башне, однако существенных шагов в этом направлении сделано не было.

С 2002 года у РТРС оформлено охранное обязательство по сохранению Шуховской башни с Мосгорнаследием. Но РТРС это обязательство не выполняла, из-за чего в 2009 году Мосгорнаследие обратилось по этому поводу в суд с иском к компании. По решению суда РТРС разработала и согласовала проект реставрации башни.

В 2011 году Правительство Российской Федерации выделило 135 миллионов рублей на реставрацию, однако этих средств оказалось недостаточно, и работы отложили. Тогда же объявили конкурс на лучший проект по реконструкции башни и прилегающей к ней территории, победителем которого стала компания «Качество и надёжность». В то же время градозащитники и представители фонда «Шуховская башня» высказались против планов по реконструкции и за обсуждение проблемы на международном уровне путём создания консилиума. По словам Владимира Шухова, возможная перестройка башни лишила бы её архитектурной ценности.

В 2012 году состоялся круглый стол «Наследие академика В. Г. Шухова» в Центральном доме архитектора, где о состоянии памятника, близком к аварийному, заявил начальник отдела обследований зданий и сооружений Александр Мамин. По его словам, Шуховская башня нуждалась в срочной реставрации.

В начале 2014 года заместитель министра связи России Алексей Волин заявил о последовательном разрушении Шуховской башни с выпадением деталей на радиус до 50 метров. Был предложен проект по разбору башни с последующим переносом в другое место. Против данной инициативы выступил целый ряд архитекторов с мировым именем: Рем Колхас, Кэнго Кума, Тадао Андо, Элизабет Дилер, Том Мейн. Свои подписи под открытым письмом президенту России Владимиру Путину о сохранении памятника оставили 38 экспертов. Эту же точку зрения поддержал главный архитектор Москвы Сергей Кузнецов.

Против переноса высказывались и жители Шаболовки. Летом 2014 года среди москвичей был проведён референдум по поводу дальнейшей судьбы памятника: 90 % опрошенных высказалось за сохранение Шуховской башни.

При этом, как утверждал в феврале 2014 года директор департамента по контролю, надзору и лицензированию объектов культурного наследия Министерства культуры РФ Владимир Цветнов: «С момента разработки и согласования проекта экспертиза башни не проводилась. По крайней мере, у нас таких данных нет. Так же как нет и данных о нахождении башни в аварийном состоянии (акты, протоколы, предписания и т. д.). Наша позиция формируется на основании соблюдения законодательства об объектах культурного наследия, где не предусмотрено таких работ, как „демонтировать и убрать с территории“».

3 июля 2014 года на сайте Министерства культуры появилось сообщение о том, что Шуховская башня не будет демонтирована. Той же позиции придерживались Министерство связи и Правительство Москвы. Было объявлено о дальнейшем проведении международного конкурса проектов по реставрации памятника.

Осенью 2015 года была демонтирована 7-я «антенная» секция Шуховской башни 1991 года постройки, а также была проведена антикоррозионная обработка конструкции, заменены наиболее аварийные элементы. В марте 2016 года внутри башни была установлена конструкция, поддерживающая стены и снимающая часть нагрузки с каркаса.

В январе 2017 года РТРС заказала разработку проектной документации по реконструкции памятника. Цена контракта составила более 32 миллионов рублей.

На 2019 год проект реставрации не реализован и никаких реальных действий по реставрации не предпринято.

По состоянию на март 2021 года проект реставрации остаётся не реализован и реставрация не начата.

Башня внесена в Красную книгу Архнадзора, номинация — ветхость.