Al in de 16e eeuw werd gesproken over de mogelijkheid om de landengte die de Atlantische van de Stille Oceaan scheidt, met een kanaal te doorsnijden. In 1524 opperde Karel V op advies van Vlaamse ingenieurs dat scheepsreizen tussen Spanje en Peru aanzienlijk verkort zouden kunnen worden door de aanleg van een kanaal. Zijn zoon koning Filips II (1527-1598) verbood echter het graven van een kanaal op straffe des doods, omdat "de mens niet mag scheiden wat God heeft verenigd".
Aan het einde van de 19e eeuw werd de eerste serieuze poging ondernomen, nadat in 1855 al een spoorlijn over de landengte was aangelegd. De Fransman Ferdinand de Lesseps, die ook het Suezkanaal had aangelegd, begon met de bouw in 1880 in wat toen nog de Colombiaanse provincie Panama was. Hij stuitte echter op technische en klimatologische moeilijkheden. Ook vonden zeer veel arbeiders de dood door onder andere malaria en gele koorts. De bouw kwam stil te liggen en de in 1881 opgerichte bouwcompagnie ging in 1889 failliet. Geschat wordt dat er in deze periode 22.000 arbeiders zijn overleden.
Het duurde nog tot 1904 voor de aanleg werd hervat, nadat via een door de Verenigde Staten (onder president Roosevelt) gesteunde legeropstand de provincie Panama was afgescheiden van Colombia en een onafhankelijke staat was uitgeroepen in november 1903. Twee weken later werd in het Witte Huis te Washington een verdrag ondertekend tussen de Amerikaanse minister van Buitenlandse Zaken John Hay en de Franse ingenieur Philippe-Jean Bunau-Varilla, die een van de aanstichters van de afscheiding was geweest. In dat verdrag, waar geen Panamezen bij betrokken werden, werd vastgelegd dat 1400 km² Panamees grondgebied "voor eeuwig" aan de Verenigde Staten werd overgedragen. Het betrof een strook land van zo’n 8 kilometer aan weerszijden van het toen halfvoltooide kanaal: de Panamakanaalzone.
Nadat de eerste twee aangewezen ingenieurs zich hadden teruggetrokken, wees president Roosevelt luitenant-kolonel George Washington Goethals aan om de leiding te nemen over de aanleg van het kanaal. Goethals, een zoon van Vlaamse immigranten, studeerde in 1880 af aan de Militaire Academie van West Point. In het leger maakte hij carrière en werd hij lid van de Generale Staf.
In het begin stierven ook toen veel mensen aan malaria. Een arts zette het project weer op de rails door de muskieten aan te pakken. Het kanaal werd geopend onder de slogan "A man, a plan, a canal: Panama", die ook achterstevoren te lezen is. Er vielen minder doden dan tijdens de Franse periode: zo'n 5.600. Het eerste schip, het Amerikaanse stoomschip Ancon, voer door het kanaal op 15 augustus 1914. Het project lag hiermee voor op schema: de oorspronkelijke einddatum was op 1 juni 1916 gezet.
In 1935 werd de in de rivier Chagres de Madden Dam voltooid. Door deze constructie ontstond het Alajuelameer, dat diende als reservoir voor aanvullende watervoorziening voor het kanaal. In 1939 werd het kanaal verder geavanceerd met de aanleg van een aantal nieuwe schutsluizen. Deze moesten de omvang van de oorlogsschepen van de Verenigde Staten aankunnen. Verdere uitgravingen om het kanaal beter te stroomlijnen kwamen op gang, maar werden stilgelegd na de Tweede Wereldoorlog.
Na de oorlog begonnen de spanningen tussen Panama en de Verenigde Staten op te lopen. In Panama begon steeds meer de mening post te vatten dat de Kanaalzone in rechte toebehoorde aan het Panamese volk. In 1964 braken studentenprotesten uit die een gewelddadig karakter kregen. Na een incident over het hijsen van de Panamese vlag naast de Amerikaanse, begonnen studenten de hekken te doorbreken die de kanaalzone afscheidden van het omliggende Panamees grondgebied. Dit leidde tot militair ingrijpen en 22 doden onder de opstandelingen. In 1974 werden er onderhandelingen gestart die in september 1977 uitmondden in de Torrijos-Carterverdragen, ondertekend door de Panamese militaire heerser Omar Torrijos en de Amerikaanse president Jimmy Carter. In deze verdragen werd geregeld dat het kanaal zou worden overgedragen aan Panama, waarbij het land een verdrag moest ondertekenen dat de neutraliteit van de zone moest garanderen en de VS de garantie gaf om terug te keren wanneer gewenst. Uiteindelijk leidden de verdragen ertoe dat op 31 december 1999 het kanaal werd overgedragen aan de Panamakanaalautoriteit (ACP), waarmee het volledig Panamees bezit was geworden.