Het Vroesenpark werd in 1929 ontworpen door stadsarchitect Witteveen. Hij kwam in 1924 in dienst bij de afdeling stadsuitbreiding en gebouwen van de Gemeente Rotterdam. In 1931 richtte hij de dienst Stadsontwikkeling op, die nog altijd bestaat.
Zijn idee voor het Vroesenpark, toen nog Park Blijdorp, was een symmetrisch ontwerp met de Statenweg als middenas. Ook nam hij in het park van 12 hectare 3 hectare sportvelden op. De as werd gevormd door een langgerekte, getrapte waterpartij, van waaruit de sportvelden symmetrisch naar beide kanten uitwaaierden. Het plan van Witteveen werd door werklozen uitgevoerd tijdens de crisisjaren, de grootste economische depressie van de twintigste eeuw.
Het park werd al snel kleiner toen het deel ten zuiden van de Stadhoudersweg onderdeel werd van Diergaarde Blijdorp. Al in 1937 werden plannen gemaakt om de Rotterdamsche diergaarde te verplaatsen naar Blijdorp. Voor het bombardement waren de meeste dieren al verhuisd. Op 7 juli 1940 werd het Noordelijk gedeelte geopend en in december de hele dierentuin.
Tijdens de bezetting werd het park grotendeels gebruikt voor het verbouwen van aardappels, graan en groenten om de voedselschaarste het hoofd te bieden. Het Gemeentelijke Oogst en Landbouwbedrijf voerde dit uit als onderdeel van het landelijk programma Productieslag. Veel plekken in de stad werden omgetoverd tot landbouwgrond, ook nog tijdens de wederopbouw.
Als er in de zomermaanden van 1942 wordt geoogst, blijkt Rotterdam binnen Productieslag de grootste opbrengst van alle gemeenten te hebben. Een jaar later is de oogst nog groter: 2,6 miljoen kilo op een landelijk totaal van 7 miljoen kilo. In Rotterdam zijn er daarom in de zomer van 1943 oogstfeesten.
De aanplant werd goed bewaakt tegen diefstal. Op dolle dinsdag (5 september 1944) toen de hoop leefde dat Rotterdam in navolging van Brussel (3 september) en Antwerpen (4 september) snel bevrijd zou worden, trok de bevolking zelf spontaan de oogst uit de grond. Hier werd echter snel een eind aan gemaakt. De bomen in het park werden in de hongerwinter van 1944/45 bijna allemaal gekapt en gebruikt als stookhout. Zelfs de sintelpaden bleven niet gespaard, omwonenden zeefden de kooltjes uit de paden om de kachel te kunnen stoken.
Na de Tweede Wereldoorlog was er nauwelijks iets van het park over. In 1948 werd door de Dienst Stadsontwikkeling een nieuw ontwerp gemaakt. In plaats van een wandelpark, werd gekozen voor een gebruikspark met ruime lig- en speelweiden. De strakke waterpartij werd omgevormd tot een asymmetrische waterloop. De zijde die aan de Vroesenlaan grenst kreeg een formele strook met rozenvakken.
In 1952 werd J.T.P. Bijhouwer als adviseur van de gemeentelijke afdeling beplantingen gevraagd voor de indeling van het park en een beplantingsschema dat het mooiste resultaat zouden geven. Hij pleitte voor de aanplant van inheemse soorten en een plantengemeenschap met een zich regelmatig herhalende structuur. Hij was een van de eerste die pleitte voor ‘ontspanningslandschappen’. Dit plan werd pas in 1957 uitgevoerd.
Eerst fungeerde het Vroesenpark nog als kampeerterrein tijdens De Nationale Energie Manifestatie in 1955 (E55), waarin de levensdrift, wilskracht en werklust om het land te herbouwen na de oorlog en watersnoodramp, centraal stond.
Toen het park in 1958 heropend werd, waren er 600 bomen en 30.000 heesters aangeplant. Tussen de inheemse soorten als berken, wilgen en populieren zijn de moerascipressen opmerkelijke blikvangers. Zij danken hun aanwezigheid aan de oplettendheid van een medewerker van de plantsoenendienst, die de bomen redde van de ondergang nadat zij gerooid werden bij Diergaarde Blijdorp. Op de natte polderbodem bleken zij het goed te doen. Ze geven het park een bijzonder karakter, al waren zij door Bijhouwer waarschijnlijk niet goedgekeurd.
Officieel heette het park Park Blijdorp, maar in de volksmond werd het al snel Vroesenpark genoemd, naar de gelijknamige Vroesenlaan die langs het park loopt. Verschillende familieleden van de familie Vroesen waren in de 17e en 18e eeuw lid van de Rotterdamse vroedschap, de voorloper van het hedendaagse college van burgemeester en wethouders.
Adriaen Vroesen, die in 1669 zijn vader als burgemeester opvolgde, was naast regent ook geïnteresseerd in het sociale en wetenschappelijke leven. Hij liet zelfs voor de Rotterdammers een enorm planetarium bouwen, zodat iedereen zou weten dat niet de aarde, maar de zon het middelpunt van het heelal was. Het wereldwijd oudste heliocentrische planetarium, is nu te zien in Museum Boerhave.
Het werd ruim een eeuw eerder ontwikkeld dan het veel bekendere planetarium van Eise Eisinga in Franeker.
Het Buitenmuseum Blijdorp is een bewonersinitiatief, mogelijk gemaakt door de Wijkraad Blijdorp en Blijdorpse Polder.