Faute d'entretien, les faux rochers en treillis métalliques enduits de béton se sont effrités et sont devenus dangereux. Le Grand Rocher, symbole du parc, qui domine le bois de Vincennes, a alors été fermé plusieurs années. Dès 1993, le Gouvernement dut débloquer des crédits en urgence pour la rénovation du Grand Rocher. Le zoo de Vincennes a vu, ces dernières années, sa fréquentation fléchir (300 000 visiteurs en 2005, contre 600 000 en 2004, 800 000 en 2003, 1 000 000 en 1984, 1 500 000 en 1968).
C'est à l'été 2004, au moment où le personnel du zoo manifeste ses inquiétudes quant à la dégradation croissante du zoo, que le maire de Vincennes Laurent Lafon, également conseiller régional d'Ile-de-France, lance un appel à la population pour sauver le zoo de son lent déclin. Cet appel permet de recueillir des milliers de signatures et d'attirer l'attention des ministres en charge du parc zoologique. En septembre 2004, le maire de Vincennes Laurent Lafon interpelle à nouveau les pouvoirs publics sur le devenir du parc dans une tribune publiée dans le quotidien Le Monde : l'idée de rénover le zoo est lancée.
Suite à cette alerte, 500 000 euros ont été consacrés aux travaux de première nécessité, sur les réseaux de gaz et d’électricité et sur le rocher des girafes.
« La dégradation progressive de ses équipements, donc de son fonctionnement ont même conduit à envisager sa fermeture, temporaire ou définitive, ce qui a suscité une émotion légitime car cela signifierait la disparition d’une institution ancienne et d’un centre de recherche, d’information et de reproduction de renommée mondiale » souligne alors le député du Val-de-Marne, Patrick Beaudouin, lors d'une séance de questions au Gouvernement à l'Assemblée nationale en décembre 2004.
En 2005, le Gouvernement a consacré un million d’euros à l’accueil des animaux et du public et 1,2 million supplémentaire ont permis d’achever la volière aux lémuriens et d’accueillir de nouveaux pensionnaires. Cela a permis de lancer définitivement la rénovation du zoo de Vincennes. Le coût global des travaux, qui devraient débuter au premier trimestre 2007, est estimé entre 120 et 130 millions d'euros. Ce plan de rénovation doit répondre à la nécessité de faire du futur zoo « un établissement de référence mondiale », comme l’affirme Allain Bougrain-Dubourg, président du comité scientifique.
Un partenariat public-privé a ensuite été décidé pour mener à bien le chantier de rénovation dans les meilleurs délais. Des acteurs privés assureront donc le financement et la réalisation du nouveau zoo, moyennant un loyer temporaire correspondant approximativement au surcroît de recettes généré par les entrées du parc rénové. L’appel à candidatures est intervenu à l'été 2005 ; le chantier pourrait être lancé avant la fin de 2006. Ce partenariat, limité à la gestion du chantier de rénovation, n’affecte ni le statut ni les missions des personnels et des chercheurs associés, non plus que la mission de service public du parc.
Par ailleurs, le choix du projet du cabinet d'architecte TN+ a été arrêté en décembre 2005. Ce projet entend lier développement durable et respect de la condition animale, en présentant les animaux dans leurs biotopes. Pour le cabinet TN+, « le visiteur deviendra l'invité de l'animal qu'il rencontrera dans son univers reconstitué » (Le Monde du 7 décembre 2005). Le principe du nouveau zoo n'est plus de montrer le plus possible d'animaux mais de valoriser leur présentation. Ainsi, la faune asiatique, les tigres notamment, sera déplacée. Il en ira de même pour les ours, qui dépriment en captivité, et pour les éléphants, trop à l'étroit. En effet, il faut 5 hectares pour deux pachydermes.
Le nouveau zoo pourrait ouvrir ses portes à partir de 2012. En effet le projet TN+ était trop cher, un nouvel appel d'offre a été lancé, seul Bouygues y a répondu, le zoo doit fermer fin 2008 et les travaux commencer en 2010.
Mardi 26 juin 2007, le directeur général du Muséum d'histoire naturelle déclare : « La rénovation du Parc zoologique de Paris, situé dans le bois de Vincennes (XIIe), sera une réalité au plus tôt en 2011 ».
Le dimanche 30 novembre 2008 (au soir) le zoo de Vincennes a été officiellement fermé pour travaux.