В 1692 году Петр I основал Солдатскую слободу полка Ф.Я. Лефорта на 500 дворов на высоком левом берегу реки Сенички, вдали от Яузы. Слобода была спланирована вдоль реки двумя рядами узких прямоугольных кварталов с небольшими деревянными дворами, характерными для таких поселений.

На южной границе слободы построили церковь Петра и Павла. Это первое поселение получило название Лефортово, которое позже распространилось на весь район. Однако после переноса столицы в Петербург слобода утратила свое первоначальное значение, и по указу 1714 года её включили в список мест для заселения купцами. Но, как и другие отдаленные слободы, она не привлекла купцов и была заселена мелкими ремесленниками и беднейшими служащими.

В 1707 году между Солдатской слободой и Яузой разместились деревянные корпуса Военного госпиталя, который стал главным медицинским центром Москвы и выполнял функции медицинского учебного заведения. К северу от госпиталя, у Синички, был разбит аптекарский огород для выращивания лекарственных трав.

Головинский сад, известный также как Лефортовский парк, был создан в 1703 году по заказу генерал-фельдмаршала Фёдора Головина и назван в честь советника Петра I Франца Яковлевича Лефорта. Парк был спроектирован по образцу Версальского и получил прозвище «Версаль на Яузе». В 1722 году Петр I приобрел усадьбу Головина, чтобы сделать её своей московской резиденцией и преобразовать парк в голландском стиле. В следующем году Николай Бидлоо начал украшать парк скульптурами, плотинами и каскадами, проводя масштабные земляные работы.

В 1730 году в Лефортовской резиденции прошли торжества по случаю коронации Анны Иоанновны, которая сделала её своей главной московской резиденцией и переименовала в «Анненгоф». Легенда гласит, что «Анненгофская роща» появилась за одну ночь благодаря прихоти императрицы, когда были высажены взрослые деревья.

Для строительства летнего дворца Анна Иоанновна пригласила архитектора Бартоломео Растрелли, который возвел Летний Анненгоф в стиле барокко. В 1736 году он перенес Зимний Анненгоф из Кремля, чтобы императрица могла проживать в резиденции круглый год. Растрелли также занимался парковой зоной, добавив Верхний сад с украшениями отца.

В 1742 году Елизавета Петровна вернула парку название «Головинский сад» и сделала его открытым для посещения. При ней появились новые строения: театр «Оперный дом», церковь Воскресения Христова и дворец по проекту Ивана Коробова и Бартоломео Растрелли.

В 1773 году началось строительство нового дворца для Екатерины II по проекту князя Петра Макулова и архитектора Антонио Ринальди. Завершенный в 1796 году, он стал крупнейшим зданием в Москве. Джакомо Кваренги занимался отделкой фасадов и интерьеров, а Франческо Кампорези, лепниной.

После смерти Екатерины II Павел I передал парк и дворцы военным. Екатерининский дворец стал казармами полицейского полка Николая Архарова, а на территории парка появились плацы.

После смерти Павла I парк остался в ведении военных, и ни один из последующих императоров не жил в лефортовских дворцах. В 1856 году в бывшем Екатерининском дворце прошли торжества по случаю коронации Александра II.

Комплекс был восстановлен после Отечественной войны Осипом Бове и передан кадетскому корпусу. В 1904 году парк сильно пострадал от урагана.

В советское время парк был передан дому офицеров Московского военного округа. В 1932 году в Екатерининском дворце разместилась Военная академия бронетанковых войск, ныне Общевойсковая академия Вооружённых Сил Российской Федерации. В 1934 году в парке построили стадион.