La construction du Théâtre du Châtelet date de la modernisation de Paris au Second Empire. C’est d’ailleurs le baron Haussmann qui l’a commandé à l’architecte Gabriel Davioud. La construction du Châtelet, et de son théâtre jumeau qui lui fait face, alors nommé Théâtre Sarah Bernhardt et renommé Théâtre de la Ville de Châtelet, a lieu entre 1860 et 1862.

Le Théâtre du Châtelet est inauguré le 19 avril 1862 en présence de l’Impératrice Eugénie, par une représentation de la féérie Rothomago, programme à grand spectacle qui tire partie des moyens techniques sans précédents de la salle, qui avec sa jauge d’environ 2 500 places est alors la plus grande du pays. Initialement consacré au théâtre, le Châtelet devient l’une des salles les plus populaires de la capitale, notamment pour ses fééries et ses drames militaires, ainsi que des adaptations scéniques de romans d’Alexandre Dumas, d’Eugène Sue ou d’Emile Zola.

La musique prend un rôle plus important au Châtelet à partir de 1873, date à laquelle l’Association des Concerts Colonne y prend résidence. Ceux-ci jouent les plus grands compositeurs français de leur temps (Bizet, Saint-Saëns, Lalo, Massenet, Ravel, Fauré, Dukas, Chabrier, Debussy,etc.), redécouvrent des œuvres passées dans l’oubli telles que La damnation de Faust de Berlioz, et invitent des compositeurs tels que Richard Strauss ou Tchaïkovski à venir diriger leurs propres œuvres.

L’opérette deviendra populaire au Châtelet dès le début du XXe. Surtout, à partir de 1906, l’imprésario Gabriel Astruc programme les saisons, cimentant la place centrale qu’occupe le Châtelet sur la scène lyrique en invitant des personnalités comme Caruso. Ainsi, en 1907, c’est la première française de Salomé de Richard Strauss. En 1909, c’est le début français des Ballets russes de Diaghilev, avec Nijinski. En 1911, les Ballets Russes ont pour la première fois recours à la musique d’Igor Stravinski pour Petrouchka, et collaborent de nouveau l’année suivante en 1912 pour L’oiseau de feu, dans une saison historique qui comprend aussi la première de Daphnis et Chloé de Ravel et du Prélude à l’après-midi d’un faune de Debussy, le tout avec des décors de Bakst. D’Astruc quitte le Châtelet en 1913 afin de fonder son propre théâtre, le Théâtre des Champs-Elysées. Les Ballets Russes reviennent toutefois au Châtelet pendant la guerre en 1917 pour Parade d’Eric Satie sur des poèmes de Cocteau avec la participation de Picasso pour le décor, suscitant une vive controverse.

Après la Première Guerre Mondiale, le Châtelet revient à une programmation plus conservatrice, le climat économique n’étant pas à la prise de risques. Pendant la direction de Maurice Lehmann de 1928 à 1966, l’accent est mis sur l’opérette, avec des personnalités comme Fernandel, Tino Rossi ou Charles Aznavour. Autre spécialité du Châtelet à cette période, la comédie musicale américaine, tel que Mississippi Show Boat d’Hammerstein et Kern. Le successeur de Lehmann, Marcel Lamy poursuit la tendance, donnant notamment la comédie musicale Gypsy en 1972.

La Ville de Paris reprend le théâtre en 1979, qu’elle ferme une saison le temps d’effectuer des travaux de modernisation. A sa réouverture en 1980, le Théâtre du Châtelet prend le nom de Théâtre musical de Paris et est placé sous la direction de Jean-Albert Cartier, initiant un recentrage de la programmation sur l’art lyrique. La tendance se poursuit de 1988 à 1997 pendant le mandat de Stéphane Lissner, qui renomme la scène Théâtre du Châtelet. Celui-ci attire des chefs comme Daniel Barenboim, Pierre Boulez, William Christie, Simon Rattle ou Esa Pekka-Salonen, et des metteurs en scène comme Peter Sellars, Luc Bondy, Robert Wilson ou Patrice Chéreau.

En 1998, le Châtelet ferme pour cause de travaux, et rouvre en 1999 sous la direction de Jean-Pierre Brossmann. Le Châtelet continue d'être une importante scène lyrique, investissant dans la création, notamment celle de Trois sœurs de Peter Eötvös en 1999. Jessye Norman devient l’une des figures emblématiques de la scène à cette époque, notamment par sa participation à Erwartung de Schoenberg en 2002. L’opérette reste à l’honneur, notamment Offenbach, grâce à l’équipe constitué par les chanteurs Felicity Lott et Yann Beuron, le chef d’orchestre Marc Minkowski et le metteur en scène Laurent Pelly qui y donneront La Belle Hélène en 2000 et La Grande-duchesse de Gérolstein en 2005. Le Châtelet collabore beaucoup avec l’Orchestre Philarmonique de Radio-France à cette période.

La direction de Jean-Luc Choplin (2006-) redonne une place d’honneur à la comédie musicale américaine, notamment celle de Stephen Sondheim (A little night music en 2010, Sweeney Todd en 2011, Sunday in the park with George en 2013, Into the woods en 2014, sans compter West Side Story en 2012, sur lequel Stephen Sondheim n’est que parolier et non compositeur). Le Théâtre met aujourd'hui l'accent sur les comédies musicales, ainsi que les spectacles de variété et de comédie.