Battezzato come stadio del Sole, cambiò successivamente denominazione per celebrare la tradizione secondo la quale San Paolo avrebbe raggiunto l’Italia attraccando nella zona dell’attuale Fuorigrotta. La struttura venne inaugurata il 6 dicembre 1959, con la gara di campionato fra Napoli e Juventus, terminata 2-1 per gli azzurri; tuttavia l’inaugurazione ufficiale avvenne il 6 gennaio 1960, con la gara di Coppa Internazionale tra Italia e Svizzera, terminata 3-0 per la Nazionale italiana.

Il progetto originario prevedeva solo un anello, quello attualmente al livello superiore, ma su specifiche richieste ne fu aggiunto uno inferiore, al di sotto del livello stradale. La capienza iniziale era di 87 500 spettatori in piedi. Le tribune erano in travertino, sia nell’anello inferiore che in quello superiore. Parzialmente riammodernato in occasione dei campionati europei del 1980 e dei campionati mondiali di calcio ospitati dall’Italia nel 1990, lo stadio è stato oggetto di ulteriori lavori di ristrutturazione e riqualificazione che hanno compreso la costruzione della copertura e della nuova tribuna stampa su progetto strutturale dell’ingegner Luigi Corradi, il riammodernamento della pista di atletica e dell’impianto di illuminazione e l’adeguamento alle norme di sicurezza richieste dalla FIFA. Successivamente venne costruito un terzo anello, direttamente collegato alla struttura di sostegno della copertura, che portò la capienza dello stadio a 76 824 posti. Il suddetto anello, tuttavia, è stato poi inibito agli spettatori poiché, ogni volta che il Napoli segnava una rete, gli spettatori esultanti provocavano vibrazioni che, attraverso i piloni di sostegno della copertura, si diramavano nel terreno propagandosi successivamente ai fabbricati adiacenti allo stadio e causando, così, non pochi problemi agli abitanti. L’ex assessore allo sport del comune di Napoli, Alfredo Ponticelli, aveva più volte affermato che a causa di questo disagio il terzo anello verrà smontato e rimosso, unitamente alla copertura. Alla fine degli anni ottanta più volte era ventilata l’ipotesi di intitolare l’impianto ad Attila Sallustro, storico campione degli anni trenta, ma l’idea non è mai stata attuata. Il 6 dicembre 2009, in occasione del 50º anniversario dell’inaugurazione dell’impianto, il presidente del Napoli Aurelio De Laurentiis ha consegnato, prima dell’inizio della gara in programma Napoli-Bari, una maglia azzurra con il numero “50” a tre protagonisti della gara inaugurale contro la Juventus, ovvero Luís Vinício, Elia Greco e Dolo Mistone.

Il processo di degrado della struttura ha reso più volte il San Paolo inagibile per lo svolgimento di gare di campionato; ciò si è verificato in particolare nel settembre del 2001 dopo un drammatico nubifragio, che fra l’altro provocò due morti e miliardi di danni in tutta la città. Tra le strutture più colpite ci fu proprio lo stadio.  Con la chiusura del terzo anello la capienza omologata dello stadio è ridotta a 60 240 posti. Vari lavori sono stati, comunque, eseguiti per l’adeguamento della struttura alle direttive della legge Pisanu: sono stati installati tornelli e costruite zone di prefiltraggio; inoltre, sono state installate 76 telecamere all’interno e all’esterno dello stadio, alcune delle quali direttamente collegate alla stazione di polizia, per monitorare gli spettatori.