Il est imaginé au Second Empire dans le but d'offrir aux Parisiens des espaces verts aux quatre points cardinaux de Paris : bois de Boulogne à l'Ouest, Buttes-Chaumont au Nord, bois de Vincennes à l'Est, et parc Montsouris au Sud. Haussmann décide de sa construction en 1860, et confie sa réalisation à l'ingénieur Alphand. Le site est choisi sur les anciennes carrières désaffectées de Montsouris. L'aménagement de ces carrières posa de multiples problèmes. Ce lieu avait été utilisé, lors de la fermeture définitive du cimetière des Innocents, pour ensevelir les restes des défunts. On dut en retirer 813 tombereaux d’ossements.
La principale difficulté technique fut de construire le parc au dessus des lignes de Sceaux (nord-sud) et de la Petite Ceinture (est-ouest), tout en consolidant les anciennes carrières. Mis en chantier en 1867, les travaux dureront jusqu'en 1878. Le parc est inauguré en 1869. Le lac artificiel était alimenté à l'époque par l'aqueduc d'Arcueil. Le jour de l'inauguration, le lac artificiel se vida et l'ingénieur chargé de sa mise en œuvre se suicida.
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