Pembangunan Astana Arena dimulai pada tahun 2006. Stadion ini dirancang oleh arsitek Populous bersama dengan Tabanlioglu Architects.[2] Kontraktor umum pada proyek ini adalah Sembol Construction.[2] Stadion ini dibuka dengan pertandingan antara Lokomotiv Astana melawan tim nasional sepak bola U-19 Kazakhstan pada 3 Juli 2009.[6] Pertandingan ini diawasi oleh wasit berkebangsaan Italia Pierluigi Collina. Sebagai bagian dari masing-masing tim, selain pemain reguler mereka, diundang pula beberapa pemain yaitu bek asal GeorgiaKakha Kaladze dan penyerang asal UkrainaAndriy Shevchenko, dan juga dua pemain asal Turki, Hasan Şaş dan Hakan Şükür.[6]
Pada tanggal 31 Januari 2011, Astana Arena menjadi tempat upacara pembukaan Asian Games Musim Dingin 2011.[7] Astana Arena menjadi stadion pertama di Kazakhstan yang menjadi tempat berlangsungnya pertandingan Liga Champions UEFA, setelah FC Astana berhasil lolos ke fase grup di musim 2015-2016.[8]
Desain
Stadion ini dirancang dengan bentuk elips, dibangun pada lahan seluas 232.485 m². Desain stadion ini mengadopsi prinsip-prinsip teknologi tingkat tinggi dalam manajemen operasional, interaksi dengan lingkungan terutama terhadap kondisi iklim dan geografi yang keras. Permukaan lapangan menggunakan rumput yang ditetapkan untuk memenuhi kriteria FIFA dan UEFA. Rumput dapat ditutupi apabila stadion digunakan untuk penyelenggaraan acara lain.