תרשים גרמני משנת 1888. למעלה: התעלה המוצעת בפנמה. למטה: התעלה המוצעת בניקרגואה מעבר גיילארד במהלך חפירות. צילום משנת 1907 אוניית המערכה מיזורי עוברת בתעלה במהלך מלחמת העולם השנייה

האזכור המוקדם ביותר לתעלה על פני מצר היבשה של אמריקה המרכזית מתוארך לשנת 1534, כשקרל החמישי, קיסר האימפריה הרומית הקדושה ומלך ספרד, העלה את הרעיון לבניית תעלה בפנמה כדי להקל על אוניות המפליגות לפרו ואקוודור.

בגלל מצבה האסטרטגי של מרכז אמריקה - רצועת אדמה צרה המפרידה בין שני אוקיינוסים גדולים - נוסו מספר דרכים אחרות לקשרי מסחר בין שני צדי המצר. תוכנית דריין משנת 1698 הייתה ניסיון של ממלכת סקוטלנד ליצור נתיב מסחר יבשתי, אבל היא סוכלה בגלל התנאים העוינים בשטח ונזנחה בשנת 1700. לבסוף, נבנתה מסילת ברזל על פני המצר, והיא נפתחה בשנת 1855. קשר יבשתי זה הקל מאוד על המסחר. כמו כן, תשתית חשובה זו הייתה נקודת מפתח בבחירת נתיב התעלה.

נתיב ימי בין שני האוקיינוסים עדיין נחשב כפתרון אידיאלי, ורעיון בניית התעלה התעורר בתקופות שונות. לבסוף, מעודדים מהצלחת כרייתה של תעלת סואץ, התחילו הצרפתים, בהדרכתם וניהולם של פרדיננד דה לספס וגוסטב אייפל, בבניית תעלה בגובה פני הים (כלומר, ללא תאי שיט) ב-1 בינואר 1880. למרות העבודה הרבה שכבר הושקעה בבניית התעלה, בשנת 1893 נאלצו הצרפתים להפסיק את הפרויקט בגלל מחלות כמו מלריה וקדחת צהובה וכן בשל הקושי הגדול בכריית תעלה בגובה פני הים. גם מחיר הדמים היווה מרכיב מרכזי בכישלון. אף על פי שלא נשמרו רשימות מפורטות, מעריכים שכ-22,000 עובדים מתו במהלך התקופה העיקרית של הבנייה הצרפתית (1881–1889). כישלון המיזם הוביל לפשיטת רגל של החברה ומנהליה הואשמו בהונאת המשקיעים, במה שכונה "שערוריית פנמה".

ארצות הברית, בהנהגתו של הנשיא תאודור רוזוולט, קנתה את הציוד והחפירות הצרפתיות. בשנת 1902 שכנע רוזוולט את הקונגרס האמריקאי להיכנס לתחום כריית התעלה הימית מחוף לחוף בפנמה. היה זה בעיצומה של מלחמת אלף הימים [Thousand Days War] שבה הייתה קולומביה שרויה, שבמהלכה נעשו ניסיונות של בדלנים מפנמה לקבל עצמאות. ארצות הברית שלחה כוח ימי למימיה הטריטוריאליים של קולומביה, שאיים על עצמאות הרפובליקה. ב-3 בנובמבר 1903, ב"עידוד" של ארצות הברית ושל צרפת, הכריז אזור פנמה על עצמאות מדינית מקולומביה. לאחר מספר חודשים, בתחילת 1904, החלה חפירת תעלת פנמה. בתמורה לסיוע ברכישת העצמאות העניקה פנמה לארצות הברית את השליטה באזור התעלה. השקעה משמעותית נעשתה בניסיון להדביר מחלות משטח החפירה, במיוחד מלריה וקדחת צהובה, שהגורמים להן התגלו זמן קצר לפני תחילת העבודות. לאחר שטוהר האזור ממחלות, והוכנו התשתיות הרבות הדרושות לבנייה, התחילה העבודה על תעלה גבוהה עם תאי שיט. תעלת פנמה נפתחה באופן רשמי בתאריך 15 באוגוסט 1914, עם המעבר של ספינת המשא "אנקון" (Ancon). ההתקדמות וההבנה בנושא היגיינה הובילה למספר מתים נמוך יחסית במהלך הבנייה האמריקאית. עדיין, מספר המתים עמד על 5,609 בתקופה שבין 1904 ל-1914. מספר המתים הכולל במהלך בניית התעלה הגיע לכ-27,500.

עד לשנות ה-30 כבר נראה היה שאספקת המים לתעלה תהיה בעייתית, במיוחד בתקופות היובש. הדבר הוביל לבניית סכר מאדן על פני נהר הצ'אגרס מעל לאגם גאטון. הסכר, שהושלם בשנת 1935, יצר את אגם אלחואלה המשמש כמאגר מים נוסף לתעלה. בשנת 1939, התחילה בניתם של שיפורים רבים נוספים. מערכת חדשה של תאי שיט, הגדולים מספיק להכיל את אוניות המלחמה שהיו אז בבנייה בארצות הברית, או המתוכננות להבנות בעתיד הקרוב (אוניות המלחמה המתוכננות מסוג מונטנה היו רחבות הרבה יותר מתאי השיט הקיימים בתעלה). העבודות נמשכו לאורך מספר שנים, וחפירות משמעותיות בוצעו על תעלות גישה חדשות, אולם הפרויקט הופסק לאחר מלחמת העולם השנייה.

במלחמת העולם השנייה פעלו צוללות גרמניות בפתח תעלת פנמה. באותה המלחמה תכננה האימפריה היפנית לפגוע בתעלת פנמה ואף שלחה צוללות מיוחדות לאזור, אך אלו קיבלו הודעת ביטול למשימה בעקבות כניעתה של יפן בטרם הספיקו להשלים את משימתן.

לאחר המלחמה, שליטת ארצות הברית באזור התעלה ובתעלה עצמה הפכה בעייתית ומעוררת מחלוקת לאחר שהיחסים בין ארצות הברית לפנמה הפכו ליותר ויותר מתוחים. רבים מתושבי פנמה הרגישו שאזור התעלה שייך לפנמה. הפגנות סטודנטים רבות הובילו לגידור אזור התעלה והגברת הנוכחות הצבאית באזור[1].

משא ומתן להסדר חדש התחיל בשנת 1974 והוביל להסכמי טוריחוס-קרטר, שנחתמו על ידי נשיא ארצות הברית ג'ימי קרטר ועומאר טוריחוס הררה מפנמה ב-7 בספטמבר 1977. חתימת ההסכמים לוותה בארוחת ערב ממלכתית שהתקיימה בבניין האיחוד הפאן אמריקאי ובהשתתפות כל המדינות החברות בארגון מדינות אמריקה.

בעקבות ההסכמים החל תהליך מסירת התעלה לשליטה פנימית. אף על פי שמסירת התעלה הייתה שנויה במחלוקת בארצות הברית, החוזה הוביל לשליטה פנמית מלאה על התעלה החל מצהרי ה-31 בדצמבר 1999, והשליטה בתעלה נמסרה לידי רשות תעלת פנמה (בספרדית: Autoridad del Canal de Panama, או ACP).