В апреле 1918 г. зоосад национализировали, и он стал научнопросветительным учреждением. Его управляющим назначен зоолог Н. П. Танасийчук. Общее руководство осуществлял научный совет (упразднен в 1924 г.), в который вошли авторитетные ученые-зоологи А. А. Бялыницкий-Бируля, В. Л. Бианки, В. А. Догель, Н. А. Холодковский и другие. Подбор зверей и птиц стал производиться на строго научной основе. Территория зоопарка значительно увеличилась, составив 6,7 га. Тогда же родилась традиция проведения массовых экскурсий.
Осенью 1924 г., после сильного наводнения, многие помещения зоопарка были разрушены, погибли многие редкие животные. В 1928 г. восстановлены старые помещения, построены бассейн для белых медведей, здание львятника, перестроили обезьянник и оленник. Затем появились павильоны для медведей, мелких хищников. С 1929 г. в саду работал Кружок юных зоологов.
С началом Великой Отечественной войны часть редких и ценных животных эвакуировали в Казань. В ночь с 8 на 9 сентября 1941 г. на территорию зоосада упали три фугасные бомбы. Под обломками слоновника погибла слониха Бетти, разрушено здание обезьянника. Зоосад закрыли. Летом 1942 г. зоопарк вновь принял посетителей.
Сотрудникам зоопарка, спасшим жизнь животным в годы блокады, посвящена мемориальная доска, выполненная скульптором М. К. Аникушиным в 1994 г.
С 1945 г. началось восстановление коллекции животных, в основном за счет видов, обитавших в Ленинградской области. В 1948 г. восстановили поврежденные помещения львятника и антилопника. В 1950 г. зоопарк пополнился множеством редких животных, среди которых были слоны, муравьед. В 1956 г. привезены жирафы, от которых родилось 12 жирафят.
За счет территории бывшего Госнардома площадь зоопарка в 1952 г. увеличилась более чем в 2,5 раза. В 1958 г. начал работать кинолекторий. В 1960 г. на базе зоопарка организована лаборатория по изучению высшей нервной деятельности животных. Ею руководил видный ученый доктор биологических наук Э. Г. Вацуро.
С конца 1960-х гг. зоопарк начал перестраиваться. В 1970-е гг. проведена полная его реконструкция. В 1971–1975 гг. по проекту архитектора Эрделли построены новые каменные павильоны. В них поселили около 1700 различных животных и птиц, представляющих 400 видов; обновили «площадку молодняка».
15 августа 2012 г. зоопарк отпраздновал свой 147-й день рождения.
В 1899 г. часть парка между «Заведением искусственных минеральных вод» и зоопарком выделили Комитету Санкт-Петербургского городского попечительства о народной трезвости. Председателем общества был принц А. П. Ольденбургский, много занимавшийся благотворительностью. Городская управа пошла навстречу принцу, уступив ему большие земельные участки в разных частях Петербурга, принадлежавшие городу. Народные дома первоначально мыслились демократическими клубами с просветительным образовательным сектором, но в них чаще всего превалировала зрелищная функция. Такой характер носил и Народный дом императора Николая II в Александровском парке.
Для его устройства Попечительство выбрало прекрасное место в средней части парка. При строительстве здания использованы конструкции художественного отдела Всероссийской промышленнохудожественной выставки 1896 г. в Нижнем Новгороде. Железный каркас здания, который был частью здания машинного отдела выставки (арх. А. Н. Померанцев), изготовили на московском заводе Гужона (впоследствии «Серп и молот»). После закрытия выставки великолепное здание машинного отдела два года пустовало. Каркас по частям перевезли в Петербург.
В октябре 1899 г. принц Ольденбургский заложил первый камень. Строительную комиссию возглавил адъютант принца А. В. Черепанов, технический надзор вел архитектор Г. И. Люцедарский. Народный дом императора Николая II являлся одним из первых общественных зданий Петербурга, сооруженных на основе металлического каркаса.
12 декабря 1900 г. Народный дом императора Николая II был освящен. Однако отделка фасадов в кирпиче и камне растянулась на следующий строительный сезон.
В центральной части здания размещались вестибюль и фойе. В левой (восточной части) находился драматический театр, вмещавший 1500 сидячих мест и множество стоячих зрителей. В правой части, симметрично театру, располагался зал для концертов и гуляний, так называемый Железный зал, ныне там размещается Планетарий. В нем оставили все металлические конструкции, откуда и название зала.
К Железному залу примыкала столовая, занимавшая объем правого ризалита и пристроенное южное крыло. Столовая находилась на двух уровнях и могла разместить до 1500 человек. Две полуротонды в летнее время служили продолжением обеденных залов.