Здание цирка построено в 1876—1877 годах по заказу циркового артиста и предпринимателя (антрепренёра) Гаэтано Чинизелли по проекту архитектора В.А. Канеля. Это первый каменный стационарный цирк в Российской империи. Ко времени постройки купол здания цирка был самым большим среди всех европейских цирков, а его интерьер по роскоши мог соперничать с императорским театром. Фасад здания изначально имел богатый декор, сочетая черты ренессанса и барокко. К настоящему времени сохранилось оформление только ризалита — части здания выступающей на площадь Белинского.
История цирка начинается в 1864 году, когда в Петербург прибывает цирк Карла Гинне. Первые выступления проводятся в ветхом деревянном здании, которое вскоре сносится. В 1867 году Карл Гинне приступает к строительству нового деревянного цирка, где в дальнейшем и работает его труппа. Гаэтано Чинизелли (1815—1881) был дрессировщиком лошадей и являлся мужем дочери Карла Гинне. В 1872 году тесть отдаёт ему здание деревянного цирка за символическую сумму. К этому времени крупнейшие европейские столицы уже имели стационарные цирки и Чинизелли решает возвести каменный цирк в Петербурге. В 1875 году император Александр II передаёт довольно большой участок на углу набережной Фонтанки и Инженерной улицы для постройки цирка в аренду на 40 лет. Автором проекта здания становится архитектор Василий Александрович Кенель[1] (1834—1893).
Здание цирка строилось с 1876 по 1877 год и стало первым каменным стационарным цирком в Российской империи. При возведении здания архитектор В.А. Канель реализовал смелое новаторское решение применив принципиально новую сетчато-ребристую конструкцию купола, что позволило создать самый большой в мире[2] на то время пролёт в 49,7 метров без использования поддерживающих колонн и оставить всё внутреннее пространство зала свободным для обзора. Таким образом цирк в Петербурге получил самый большой купол среди всех европейских цирков своего времени.
Фасад цирка был богато украшен лепными деталями и скульптурами, в его облике сочетались черты ренессанса и барокко. До настоящего времени сохранилось оформление (частично восстановлено) только ризалита — части здания выступающей на площадь Белинского (Инженерная улица) с чугунным навесом над главным входом. В проёмах арочных окон центральной части размещены скульптуры муз, в центре древнегреческая муза трагедии Мельпомена, по обеим сторонам от неё две скульптуры Эвтерпы — музы лирической поэзии и музыки, в боковых окнах ризалита — муза любовной поэзии Эрато. Аттик главного фасада венчает скульптурная группа «Искусство».
Интерьер цирка Чинизелли по роскоши мог соперничать с императорским театром: роспись купольного плафона, хрустальные люстры, малиновый бархат, позолота и зеркала. Ложи и места в партере были рассчитаны на 1500 человек, а в целом (за счёт террасированной галереи над вторым ярусом, рассчитанной на стоящих зрителей) цирк вмещал до 5000 человек.
Чинизелли управлял цирком до своей смерти в 1881 году, далее им управляли члены его семьи. В 1919 году цирк стал государственным.
В 1960-е годы был проведена реконструкция здания исказившая его первоначальный облик. Для устройства фойе и гардеробов на уровне 2-го и 3-го этажей внешнюю одноэтажную галерею надстроили на всю высоту здания. В это же время была разобранна царская ложа. Следующую реконструкцию осуществили в 2014—2015 годах, тогда помимо укрепления фундамента, стен и обновлёния купола, была восстановленна царская ложа и выполненны другие работы по возвращению исторического облика цирка Чинизелли.