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  1886年,國家博物館活體動物部成立。1889年國會通過法案,為發展國民的科學、教育和娛樂,設立國家動物園。1890年,該動物園歸史密森尼學會管理。在動物園的規劃建設中,有三位專家做出了重大的貢獻:史密森尼學會第三任會長薩繆爾·朗雷;史密森尼學會脊椎動物部門學者威廉·霍納帝以及著名景觀設計師弗裡德里克·勞·奧爾姆斯特德。當動物園剛成立時,威廉霍納帝擔任園內185只動物的飼養員。專家們設計了全新的動物園以向公眾展示動物,也用於保護大批瀕臨滅絕的北美洲野生動物,例如野牛、海狸等。  在剛設立後的50年間,國家動物園也與其他動物園一樣,主要關注對外展示個別罕見的動物種類。隨著人類活動範圍的擴大,北美洲大量野生動物遭到了獵殺和驅趕。1899年,堪薩斯州居民捕獲了一頭大角羊,贈送給了動物園。此後,動物園開始受到大眾的歡迎和關注,尤其是園內的大象、老虎等動物都非常受歡迎。動物園的工作人員也開始著手關注對各類動物的長期管理和保護。  在1950年代,動物園首次聘用了一名全職的獸醫,用以照顧園內動物的健康。1958年,“國家動物園之友”(縮寫為FONZ)成立。市民遊說組織成功地使國會通過法案,規定由史密森尼學會負責動物園的全部經費來源。在此之前,動物園的預算是由該學會與華盛頓特區分攤的。國會的這一決定確保了動物園運營資金的穩定來源,促進了動物園的快速發展。2006年,國會又追加了1460萬美元的預算,用以改善園內設施。FONZ是一家非營利組織,其宗旨在於吸引公眾對動物園的支援,招募志願者,並加強社群對動物園的支援。它們也每年為動物園捐款400-800萬美元。  在1960年代早期,動物園開始重點培育研究瀕危物種。1965年,動物園設立了動物研究部門,重點研究動物繁殖、動物行為、生態學等,以更好地滿足動物園內動物的需要。  1975年,動物園設立了野生動物保護研究中心(縮寫為CRC)。2010年,該中心更名為史密森尼生物保護研究所(SCBI)。研究所位於弗吉尼亞,面積約3200英畝,飼養了蒙古野馬、彎角劍羚、鬃狼、鷺鷥等珍稀動物,其主要從事動物的習性、種群關係、遺傳學、畜牧業的研究以及動物學家的培養等。  2009年,為了將場地騰空改為大象館,動物園內最後一頭河馬“歡喜”被轉移到密爾沃基郡動物園。

  隨著對動物園內動物習性和需求的知識的發展,動物園的建設也日益完善。如今,許多動物不再被隔離開飼養,而是採用群體雜居的方式。大熊貓、金獅面狨、 蘇門答臘虎等珍稀動物都成功地培育出了幼仔,證明了動物園在動物保護和研究方面的成就。動物園的專家團隊不僅在園內進行研究,同時也深入野外從事動物研究,其研究領域涵蓋生態保護、生物多樣性監測、獸醫學、營養學、行為學、生態學和鳥類遷徙等。  動物園也提供多個教學活動以幫助學生、教師和居民增進對動物世界奧祕的探索。動物園還設計了一些特別課程供全球各地的野生動物專家進行研修,並建立了全球跨國動物保護的網路。動物園也積極應用網際網路技術和多媒體視聽技術來推廣其各類專案。  近年來,園內開闢了亞洲動物區,飼養懶熊、浣熊、雲豹等亞洲物種。開放於2013年的大象館內有多頭亞洲象。 根據2017年動物園官網介紹,動物園每年接待參觀者人數達230萬人次,其官網瀏覽人數達700萬次。  為了保障國家動物園的安全,美國國會特別通過法令,設立了國家動物園警察署(the National Zoological Park Police,縮寫為NZPP)。該警察署也是華盛頓特區內五個具有完全警察職權的警署之一,並與首都警察部、美國聯邦公園警察局、州政府、首都警察局、聯邦調查局以及國防部有著緊密的合作。

  

  園內的大熊貓共有三片室外活動區以及一個帶有岩石假山和小瀑布以及遊客觀察區的室內館。。  自從1972年首次引進中國的大熊貓玲玲和欣欣以來,大熊貓就成為了園內的明星動物之一。從2000年起,園內又向中國野生動物保護協會租借美香和添添兩隻大熊貓。他們將在動物園呆到2020年。2005年7月,美香產下一隻幼崽,取名為泰山。2010年2月,泰山被送回到中國的碧峰峽大熊貓基地。2012年,美香又產下一胎,但6天后幼仔不幸夭折。2013年8月23日,美香又產下了幼崽寶寶,至今仍飼養在園內。2015年8月22日,美香再次生下了一胎,取名為貝貝。  動物園一度對大熊貓館進行修繕,2019年2月23日完成裝修對外亮相。

  2006年,動物園新設了亞洲動物館區。除了大熊貓之外,該館還有懶熊、漁貓、小熊貓、雲豹、亞洲小爪水獺以及亞洲象等。在大熊貓館隔壁,曾經養有日本大鯢,但2006年大鯢死亡後該區域被關閉。

  2008年春季,動物園開始為亞洲象建造新的場館。耗資5200萬美金的大象館分為兩部分,其中第一部分於2010年9月對外開放,內部帶有兩片圍場,其中一個有戲水池,另外還有250英尺長的一條叢林步道供大象散步。在2013年,舊的大象館關閉,亞洲象們搬入了新落成的場館。

  狐猴島四面環水,養有環尾狐猴、紅額狐猴和領狐猴。  比茲利叔叔是一個與原型等大尺寸的三角龍模型,原材料為玻璃纖維,最初是在1964年紐約世博會期間辛克萊爾石油公司用於展示企業形象的,現存放在狐猴島附近。在1994年以前,比茲利叔叔一直放在華盛頓的國家廣場的美國國立自然歷史博物館旁。

  小型哺乳動物館內展示的動物有金獅狨、沙漠貓、縞獴、白面僧面猴、白頭葉猴、懶吼猴、黑足鼬、毛尾鼠袋鼠、蹄兔、耳廓狐、大馬島蝟、圓耳象鼩、狐獴、拉河三帶犰狳、裸鼴鼠、長毛犰狳、小食蟻獸等小型哺乳動物。除了這些哺乳動物,館內還養了一群德氏彎嘴犀鳥。  於館外則有展示白鼻浣熊、黑吼猴、紅頸袋鼠。

  猩猩館中有兩個獨立空間,分別養有七隻紅猩猩和六隻西部低地大猩猩。紅猩猩中又分為三隻婆羅洲猩猩和四隻雜交種紅猩猩。紅猩猩們可以通過高空的索道從大猩猩館攀爬到附近的展示館。

  展示館(The Think Tank)是用來向遊客展示動物們如何思考並適應生存環境的場館,遊客們可以在這裡看到許多動物的生活習性及生存技巧。除了可以從猩猩館沿著索道攀爬過來的紅猩猩外,館內還有褐鼠、陸寄居蟹、短肢猴和紅尾猴等。

  長臂猿館中有兩個種類的長臂猿:兩隻 白頰長臂猿和兩隻合趾猿。

  獵豹保護站是一個室外場館。主要包括兩片由圍欄隔開的區域,分別養著兩頭南非獵豹和兩匹細紋斑馬、彎角劍羚、蒼羚、黑白兀鷲、林羚、紅河豬、鬃狼、尤金袋鼠、阿比西尼亞地犀鳥 和小旋角羚。

  美洲館內的動物包括:加州海獅、灰海豹、港海豹、美洲河狸、棕脅秋沙鴨、白頭海雕、渡鴉、褐鵜鶘、灰狼。館內的許多物種曾經都瀕臨滅絕,但經過生態保護專家的努力,其數量已經有了恢復。美洲館最近一次裝修結束後,在2012年夏天重新對外開放。

  由於經費不足,原有的無脊椎動物館在2014年6月22日永久性關閉。動物園計劃今後在其他場館中另設一個無脊椎動物展廳。另外在禽鳥館,今後也會展示部分無脊椎動物。

  這一南美主題的場館主要展示了亞馬遜河流域的特有動物種類。主要展示的動物包括:江魟、地圖魚、雙須骨舌魚、黃頭側頸龜、巨骨舌魚、大蓋巨脂鯉、納氏臀點脂鯉、白耳伶猴、二趾樹懶、日鳽、冠紅蠟嘴鵐、黃腰酋長鸝等。  亞馬遜科學展館地勢較低。在這裡遊客可以看到動物學家在全球保護珍稀動物的努力成果。這些動物品種包括:巴拿馬金蛙、非洲爪蟾、水生蚓螈、橫帶虎斑鈍口螈、灰樹蛙以及多種箭毒蛙。這裡還有一個珊瑚館,內有許多珊瑚種類與小丑魚、海葵、雀尾螳螂蝦、大斑躄魚等水族。  動物園籌集了10萬美元,開設了“電魚展示館”,其中就有電鰻。

  2012年11月,一隻名為Soyono的高齡老虎(19歲)由於患有大型貓科動物中常見的頸椎病,被實施了安樂死。  2013年8月,蘇門答臘虎產下了兩頭幼虎。半年後,10歲的母獅Nababiep也連續在8小時內產下了三頭幼獅,但其中一頭不幸夭折。該館還有短尾貓和獰貓的展館。

  該館包括亞達伯拉象龜、射紋龜、蛛網陸龜、古巴鱷、恆河鱷、菲律賓鱷、東部靛藍蛇、加彭噝蝰、美國毒蜥、森蚺、緬甸蟒、綠樹蟒、帝汶蟒、眼鏡王蛇、銅頭蝮、東部菱背響尾蛇、美洲大鯢、紅背蠑螈、長尾蠑螈、鱷龜等。  在中心前後還分別有科莫多巨蜥、揚子鱷、馬來長吻鱷以及美國短吻鱷。

  2017年1月,禽鳥館因改造為候鳥展館而暫時關閉。在禽鳥館的室外區養有以下動物:美洲鴕鳥,美洲紅鸛,藍鶴,美洲鶴,鴯鶓,南方鶴鴕,王鷲,美洲紅䴉,玫瑰琵鷺,灰頸鷺鴇和夜鷺等。

  兒童農場主要向幼童開放,內有羊駝、奧薩瓦島豬、北美驢、海福特牛、荷爾斯泰因牛、尼日利亞矮奶山羊、努比亞山羊以及聖克利門蒂島山羊。2011年,因財政預算緊張,動物園曾一度計劃關閉該農場,但在收到保險機構的1400百萬美元捐款後,該農場被保留了下來。

  2014年8月30日,動物園為慶祝建園125週年,新設了美洲野牛展館。該館有兩頭母野牛,它們來自蒙大拿州東北部的美國草原保護區。

  園內其他比較珍貴的動物包括:眼鏡熊(鄰近亞馬遜館)、黑尾土撥鼠、普氏野馬(鄰近小型哺乳動物館)和北美豪豬(靠近獅虎館)。

  

  斯莫基熊可能是國家動物園內最有名的動物。1950年,人們將一隻在森林火災中倖存的黑熊幼仔送到國家動物園收養。它在動物園一直住到1976年死去。幾十年來,他作為森林防火工作的象徵,接待了數百萬的參觀者,連美國郵政局都特地為它開設專用的郵政編碼,用於接收每週13000封寫給這位“森林防火形象大使”的郵件。園方曾經安排斯莫基熊與一頭名叫Goldie的熊“婚配”,希望他能留下後代以繼續代表斯莫基熊的品牌形象。但這對熊夫妻沒能夠成功生育幼熊,於是動物園將一隻幼熊命名為“小斯莫基”,並安排在一起生活,並幽默地宣稱熊夫婦“收養”了小熊。1975年,動物園還組織了正式的退休儀式,宣佈第一代斯莫基熊退役,而小熊被取名為“斯莫基熊二世”,繼續擔任森林防火形象大使。當老斯莫基熊死後,《華盛頓郵報》還鄭重其事地刊登了訃告,稱讚這位來自新墨西哥的“居民”長年在華盛頓特區為政府服役的辛勤貢獻。。

  1972年2月,中國政府向結束了中美破冰之旅的尼克松總統贈送了兩隻大熊貓“玲玲”和“欣欣”,中美“熊貓外交”從此翻開了全新的一頁。同年4月,經第一夫人帕特·尼克松的安排,“玲玲”和“欣欣”成為了國家動物園的鎮園之寶,這一對美洲大陸上最早的大熊貓更是成為了美國家喻戶曉的明星動物。 20年後,玲玲因衰老死於1992年,而欣欣死於1999年。遺憾的是,這對夫妻雖然生育了5只大熊貓幼崽,但都早夭。  2000年,中國大陸政府又以租借方式向美國輸送了一對大熊貓美香和添添。這次租借以十年為期,據稱租借費用約為1000萬美元。2011年1月,中美雙方又將租借協議延長了五年。  美香不辱使命,在動物園期間成功生育了多胎幼仔。2015年9月25日,美國第一夫人米歇爾·奧巴馬邀請中國國家主席夫人彭麗媛參觀國家動物園的大熊貓館,併為不久前美香產下的熊貓寶寶取名為“貝貝”。

  動物園與動物園之友每年會組織舉辦多個募捐活動和免費活動,以滿足動物園的營運需要和公眾服務功能。

  國家動物園之友(FONZ),是動物園愛好者的組織,成立於1958年。該組織成員可以享受免費停車、園內折扣優惠以及動物園定期出版物的寄送服務等。該組織約有40000名成員,主要來自華盛頓特區,另外還有1000餘名志願者為組織服務。

  2010年,史密森尼學會成立了史密森尼生物保護研究所,從事珍稀物種的保護以及相應人才的培訓教育。該機構位於弗吉尼亞州弗蘭特羅亞爾,其前身為國家動物園保護及研究中心。  研究所下設六個中心:
美國國家動物園(National Zoological Park),是美國曆史最久的動物園之一。該園設立於1889年,現由史密森尼學會運營,對公眾免費開放,其宗旨在於“提供有關動物的有趣體驗,並分享關於拯救野生動物及生物的知識”。