L'avenue du Zoo longe les terrains qu'occupait le Jardin zoologique du Québec, fermé en 2006 après 75 années d'existence. L'histoire du zoo commence en 1931, lorsque Hector Laferté (1885-1971), ministre de la Colonisation, de la Chasse et des Pêcheries du Québec, implante sur les hauteurs de Charlesbourg une ferme expérimentale pour y perfectionner les méthodes d'élevage d'animaux à fourrure. À la suggestion du sous-ministre, Louis-Arthur Richard, le projet s'enrichit d'un second volet : la création d'un jardin zoologique. Dès 1932, la Société zoologique de Québec voit le jour et les travaux de construction débutent. L'année n'est pas encore terminée que le parc comprend déjà plusieurs bâtiments, dessinés par l'architecte Sylvio Brassard dans un style évoquant la Nouvelle-France. Les travaux touchent aussi la rivière du Berger dont les rives sont aménagées. Les premiers animaux à intégrer les cages et les enclos sont des herbivores provenant du zoo que la maison Holt Renfrew a établi en 1907 en haut de la chute Montmorency. En 1938, lors d'une violente tempête, plusieurs installations sont emportées par la crue de la rivière. On profite des travaux de réfection pour ajouter de nouvelles structures, dont un vaste bâtiment qui logera des ateliers et l'abri d'hiver des oiseaux. En 1956, on inaugure le pavillon des félins et des primates ainsi que des jardins à la française et un étang. Le Jardin zoologique de Québec, devenu le Jardin zoologique du Québec en 1985, ne cessera de se développer. Une réorientation s'impose cependant au début du nouveau millénaire. En 2003, après deux années de travaux, le zoo présente un nouveau visage. Même si on peut encore y voir des ours, des singes et autres mammifères, la faune ailée, les jardins thématiques et les aménagements horticoles ont désormais la vedette. On y compte en effet 245 espèces d'oiseaux et 700 espèces végétales. Le zoo n'en fermera pas moins ses portes trois ans plus tard. Le parc des Moulins occupe aujourd'hui une partie des terrains.

Ancien toponyme
On a donné le nom d'avenue du Zoo à la majeure partie du chemin du Jardin, qui menait au Jardin zoologique du Québec.