В XVI в. здесь находилась деревня Осташкино, которая принадлежала Василию Щелкалову. Около 1584 года в его владениях были построены боярский дом и Троицкая церковь, посажена роща и устроен пруд. В роще, давшей начало Останкинскому парку, росли вековые кедры и дубы, сохранившиеся до XVIII века.

В 1601 году Останкино перешло во владение князя Ивана Черкасского и оставалось в собственности рода на протяжении 120 лет. В 1743 году Варвара Алексеевна Черкасская вышла замуж за графа Петра Шереметева, объединив два богатых и знатных российских рода. С 1743 по 1917 год Останкино принадлежало Шереметевым.

При Шереметеве в Останкино усадьбу перестроили, разбили первый регулярный сад. Согласно генеральному плану, составленному в 1766 году, планировка усадьбы была простой: дорога из Москвы проходила мимо плотины пруда, за которым располагались церковь и регулярный сад квадратной формы, пересеченный прямыми аллеями. За главной аллеей должен был располагаться графский «увеселительный» дом. С севера, запада и юга сад окружён лесом, а с востока к нему примыкают помещения для дворцовых служащих и мастеровых. 

В 2014 году Останкинский парк открылся после генеральной реконструкции. Согласно плану, территория получила исторический облик архитектурного ансамбля XVIII—XIX веков, но была полностью приспособлена под нужды современного города. В парке проложили велодорожки и специальные тропы для конных прогулок, оборудовали площадки с тренажерами, открыли пруд с фонтанами, лодочную станцию, танцплощадку. В парке находятся пейнтбольный и конный клубы и создан крупнейший в Европе скейт-парк под открытым небом. Здесь также действует парк театральных скульптур, расположенный вдоль Ботанической улицы.

С севера Останкинский парк граничит с Ботаническим садом РАН, а с северо-востока примыкает к ВДНХ. В 2014 году эти три территории были объединены в самую большую зону отдыха в Москве площадью 540 га. Площадь непосредственно Останкинского парка составляет около 71 га, десять из которых занимает комплекс музея.