Grâce au Duc de Morny, le demi-frère du Prince Louis-Napoléon (futur empereur Napoléon III), l’autorisation de construire est accordée le 17 décembre 1851 à Louis Dejean, déjà propriétaire du Cirque d'été (devenu Cirque de l'Impératrice) situé dans le carré Marigny des Champs-Élysées.
C’est à Jacques Hittorf, architecte du Cirque d'été et de la gare du Nord, que fait appel Dejean pour concevoir le nouvel édifice.
Son plan est un polygone à vingt côtés percés de 40 fenêtres, d'un diamètre de 42 mètres, avec une charpente en bois sans point intermédiaire. Sa salle, éclairée de 21 lustres à gaz, conçue à l'origine pour accueillir 5 900 personnes, verra sa capacité actuelle ramenée à 1 650 places suivant les normes de sécurité incendie contemporaines.
En 1954, Gilles Margaritis crée son émission de télévision La Piste aux étoiles dans la salle du Cirque d'hiver.
En 1955, Carol Reed y tourne « Trapèze » avec Gina Lollobrigida, Burt Lancaster et Tony Curtis.
Les Bouglione ont donné au Cirque d'hiver des spectacles de cirque régulièrement jusqu'en 1984. L'écurie et la ménagerie sont depuis moquettées et servent de salle de réception.
Des spectacles variés se succèdent, des comédies musicales, des tours de chant, des récitals, des fantaisies, comme « Émilie Jolie » (1985), « Barnum » (1981), « Les Aventures d'Astérix » (1988), Jacques Higelin (1982 et 1994), Guy Bedos (1986 et 2006), Diane Dufresne avec Dioxine de carbone (1984)…, et aussi le Cirque Chinois (1989), le « Festival Mondial du Cirque de Demain » fondé en 1977, le « Cirque du Soleil » pour le spectacle Cirque réinventé (1990), le spectacle nautique de Muriel Hermine « Crescend'O » (1997).
En 1999, la nouvelle génération Bouglione reprend le flambeau et insuffle au Cirque d’Hiver un vent de renouveau, renouant avec les succès.
Le Cirque d'hiver accueille à nouveau une saison de cirque, produisant chaque hiver et pour plusieurs mois un spectacle de cirque traditionnel :
ce sont « Salto » (1999), « Piste » (2000), « Trapèze » (2001), « Le Cirque » (qui célébrait en 2002 l’anniversaire des 150 ans du monument), « Voltige » (2003), « Bravo » (2004), « Audace » (2005), « Artistes » (2006), « Vertige » (2007), « Etoiles » (2008), « Festif » (2009), « Prestige » (2010), « Virtuose » (2011) « Eclat » (2012), « Phénoménal » (2013) et " Géant" ( 2014) .
Outre le cirque proprement dit, le Cirque d'hiver accueille, à l'occasion, des meetings politiques de tous bords et des spectacles variés.