A história da Lagoa Rodrigo de Freitas está intimamente ligada à do Jardim Botânico, outro cartão postal do Rio de Janeiro. Habitada pelos indígenas Tamoios até os anos 1570, a lagoa era conhecida por diversos nomes, como Piraguá, Sacopenapã, Camamducaba, Sacopã ou dos Socós (raízes chatas). Mas a área foi logo conquistada pelos portugueses que, percebendo a fertilidade das terras, instalaram ali um primeiro engenho de açúcar, chamado de Engenho D'El Rei, na área onde se localiza o Jardim Botânico.

Com isso, a partir de 1577, foi criado o primeiro caminho, passando pelo que hoje é o bairro de Botafogo, que ligava o centro à lagoa. Dali, era possível pegar uma embarcação para chegar ao engenho ou às praias, hoje conhecidas como Ipanema e Leblon, ou seguir a cavalo pela estrada que foi aberta entre a lagoa e a encosta do Corcovado.

As terras férteis que se estendiam até os atuais Jardim Botânico e Gávea foram adquiridas, por volta de 1606, por Sebastião Fagundes Varela e nessa época ficou conhecida como a Lagoa do Fagundes. Ele ampliou sua propriedade e ao morrer era dono do que hoje se conhece como os bairros do Humaitá, Fonte da Saudade, Lagoa, Jardim Botânico, Gávea, Ipanema e Leblon.

A bisneta de Varela, Petronilha Fagundes (1671-1717), casou-se, em 1702, com o oficial da cavalaria e jovem português Rodrigo de Freitas Melo e Castro (1684-1748), que deu o nome pelo qual a lagoa é conhecida até hoje. A propriedade permaneceu com a família até 1808, quando a Corte portuguesa chegou ao Rio de Janeiro.

D. João VI (1767-1826) desapropriou o engenho da lagoa, que já estava abandonado desde a morte do oficial, o transformou na Fazenda Nacional da Lagoa Rodrigo de Freitas e construiu no local a Real Fábrica de Pólvora. D. João VI funda ainda, no mesmo local, um jardim para aclimatação de plantas exóticas, o Real Horto Botânico, que se tornaria o atual Jardim Botânico do Rio de Janeiro.

Nas pinturas acima, feitas por volta de 1820 e atribuídas ao comerciante inglês Joseph Tully, podemos ver a lagoa em dois ângulos diferentes, com pouquíssimas habitações e pessoas. O mesmo vale para a gravura abaixo, datada de 1822, do tenente também inglês, Henry Chamberlain (1796-1843). Ambos se referem a ela como "Lagoa de Freitas".

Uma outro desenho (acima), sem data e autoria definidas, retrata a "Lagoa dos Freitas" como uma área praticamente despovoada. Charles Landseer (1799-1879), artista inglês que esteve no Brasil entre 1825 e 1826, também deixou seus registros de duas vistas de pontos importantes da geografia carioca tomadas a partir da lagoa: a Pedra da Gávea e o Pão de Açúcar.

Um pouco mais frequentada, parece a lagoa retratada pelo artista alemão Johann Moritz Rugendas (1802-1858), em 1835, com homens a cavalo e em uma pequena carruagem. É curioso o fato de ele nomear o local como Lagoa das Tretas e uma explicação para isso é difícil de encontrar.

Na pintura do artista alemão Carl Robert Edler von Planitz (1806-1847), de 1857, é possível observar casas construídas ao longo da estrada que já ligava a lagoa ao bairro de Botafogo.

Também da segunda metade do século XIX são as pinturas atribuídas ao italiano Nicolau Facchinetti (1824-1900), que viveu no Rio de Janeiro a partir de 1849.

Todas essas imagens retratam a lagoa como uma área bastante preservada e bucólica. Depois do declínio da fase dos engenhos, quando uma grande extensão ali era tomada por canaviais, a região foi loteada e chácaras passaram a ocupar os espaços em torno da lagoa. A partir de 1850, a região tinha ainda um ar campestre e era habitada por estrangeiros em busca de um ar saudável, mas também por trabalhadores que procuravam as fábricas que começavam a se instalar ali.

Até o final do século XIX, a área da lagoa permaneceu quase intacta, apenas alguns aterros haviam sido feitos na região do Leblon. Depois, o entorno da lagoa foi se urbanizando e sofrendo sucessivos aterros. Em 1809, o espelho d'água da lagoa tinha 4,48 milhões de m². Mas no século XX, sofreu tantos aterros que ficou reduzida quase à metade do seu tamanho. Em 1975, seu espelho d'água tinha 2,30 milhões de m². Somente no ano 2000, o tombamento foi oficializado e a sua geografia preservada.