Η ιδέα για την ίδρυση του Πανεπιστημίου Αθηνών ανήκε στον Ιωάννη Καποδίστρια και η υλοποίηση της στον βασιλιά Όθωνα. Ιδρύθηκε με βασιλικό διάταγμα στις 14 Απριλίου του 1837 και εγκαινιάστηκε στις 3 Μαΐου του ίδιου χρόνου.
Πρωτοστεγάστηκε στην κατοικία του αρχιτέκτονα Σταμάτη Κλεάνθη, επί της οδού Θόλου, στη βορειοανατολική πλευρά της Ακρόπολης. Ήταν το πρώτο Πανεπιστήμιο, όχι μόνο του νεοσύστατου Ελληνικού Κράτους, αλλά και της Ανατολικής Μεσογείου.
Το Οθώνειον Πανεπιστήμιον, όπως λεγόταν πριν πάρει το σημερινό όνομα Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιον Αθηνών, αποτελούνταν από τέσσερις σχολές: Θεολογίας, Νομικής, Ιατρικής και Τεχνών (η οποία περιλάμβανε τότε τις Εφαρμοσμένες Επιστήμες και τα Μαθηματικά). Το 1904, η Σχολή των Τεχνών διασπάστηκε σε δύο Σχολές, σε αυτή των Τεχνών και αυτή των Επιστημών, η οποία περιέλαβε τις νέες Σχολές Φυσικής, Μαθηματικών και Φαρμακευτικής. Το 1919 προστέθηκε το τμήμα της Χημείας και το 1922 η Σχολή Φαρμακευτικής ξεχώρισε ως τμήμα. Μια άλλη αλλαγή έγινε όταν στην Ιατρική Σχολή προστέθηκε το τμήμα της Οδοντιατρικής.
Με πρώτο πρύτανη τον Κωνσταντίνο Σχινά, το πανεπιστήμιο είχε αρχικώς 33 τακτικούς και εκτάκτους καθηγητές, 52 φοιτητές και 75 μη εγγεγραμμένους ακροατές, ως επί το πλείστον γηραιούς φουστανελοφόρους αγωνιστές του ’21, δημοσίους υπαλλήλους και μαθητές γυμνασίου.
Το Νοέμβριο του 1841 άρχισαν να λειτουργούν νέες τάξεις σ’ ένα καινούργιο κτίριο που σχεδιάστηκε από τον Δανό αρχιτέκτονα Κρίστιαν Χάνσεν, στην οδό ονομασθείσα Πανεπιστημίου. Εκατοντάδες επιφανών και απλών Ελλήνων συνεισέφεραν με τον οβολό τους για την αποπεράτωσή του κτιρίου, για το οποίο απαιτήθηκαν 176.000 δραχμές. Ο Δήμος Αθηναίων από την πλευρά του ανέλαβε την υποχρέωση να διαμορφώσει την οδό Πανεπιστημίου, στην οποία μέχρι τότε υπήρχαν βαθιά ρυάκια και βράχοι.
Σ’ αυτή την πρώτη, πραγματικά ηρωική περίοδο για την ελληνική εκπαίδευση, οι διδάσκοντες κατέβαλαν υπεράνθρωπες προσπάθειες, προκειμένου να γεφυρώσουν το χάσμα μεταξύ του καινούριου ιδρύματος και των παλαιότερων που λειτουργούσαν σε άλλες χώρες. Χαρακτηριστικό των δυσκολιών είναι ότι από τους 52 πρωτοεγγραφέντες φοιτητές, μόνο οι 18 παρακολούθησαν τα μαθήματα και ελάχιστοι έλαβαν πτυχίο.
Ανάμεσα στο 1895 και στο 1911, κάθε χρόνο έμπαιναν στις Σχολές περίπου χίλιοι σπουδαστές και στο τέλος του Α’ Παγκόσμιου Πολέμου έφτασαν τους δύο χιλιάδες. Αυτό οδήγησε στην απόφαση για καθιέρωση εισαγωγικών εξετάσεων για όλες τις Σχολές, ξεκινώντας από το ακαδημαϊκό έτος 1927-28. Από το 1954 και μετά, ο αριθμός των εισαγόμενων φοιτητών καθορίζεται από το Υπουργείο Παιδείας και Θρησκευμάτων, ύστερα από πρόταση των Σχολών.
Στη δεκαετία του 1960 άρχισαν κατασκευαστικές εργασίες στην Πανεπιστημιούπολη, στην περιοχή Ζωγράφου. Τα νέα κτίρια της Πανεπιστημιούπολης περιλαμβάνουν αυτά της Φιλοσοφικής και Θεολογικής, τα τμήματα της Σχολής Θετικών Επιστημών και τη Φοιτητική Εστία.