В 1920-е – 1930-е годы в зоопарке увеличилась коллекция животных. Если в 1910-х годах в зоосаде было около 300 видов животных (а в первые годы после революции их количество сократилось вдвое), то к концу 1920-х годов насчитывалось уже более 500 видов, были созданы научно-исследовательская лаборатория экспериментальной биологии, ветеринарная и паразитологическая лаборатории, показательные фермы, конюшни, экспозиции вьючных животных, появились такие самостоятельные экспозиции, как террариум и инсектарий, организовано экскурсионное бюро
В 1936—1938 годах в зоопарке проводились масштабные строительные работы: полностью перестроен слоновник, сооружены бассейны для бегемотов, морских львов, тюленей, новые помещения попугайника и ветеринарной лаборатории, переоборудовано и отремонтировано большинство старых зданий. Прежний вход в зоопарк был заменён новым, его украсили скульптурные группы животных работы В. А. Ватагина и Д. В. Горлова. Зоопарк стал одним из самых популярных мест отдыха москвичей: в 1938 году посещаемость Московском зоопарке достигла 3 млн. человек, что более чем в 10 раз превысило дореволюционный уровень (280 тыс. посетителей в наиболее успешном 1913 году).