Het eerste deel van de Keizersgracht (tussen Brouwersgracht en (ongeveer) de huidige Leidsegracht) werd in de zomer van 1615 gegraven op initiatief van burgemeester Frans Hendricksz. Oetgens, stadstimmerman Hendrick Jacobsz Staets en stadslandmeter Lucas Jansz Sinck. De Keizersgracht, genoemd naar keizer Maximiliaan I van het Heilige Roomse Rijk,[1] is de breedste gracht in het centrum van Amsterdam, namelijk honderd Amsterdamse voet, d.w.z. 28,31 meter. Opmerkelijk detail is dat de Keizersgracht later gegraven is dan de Prinsengracht (die in 1614 werd gegraven), terwijl de Keizersgracht de tweede gracht is van de drie hoofdgrachten.

In september 1614 ontstond nog het idee om van de Keizersgracht een chique boulevard zonder water te maken naar voorbeeld van het Haagse Lange Voorhout. Daar heeft men om enkele redenen van afgezien. De vroedschap vermoedde dat de toekomstige kopers van kavels aan de Keizersgracht hun woon- of pakhuis met de boot wilden kunnen bereiken. Andere overwegingen waren mogelijk de noodzaak aan waterberging, het eenvoudiger kunnen aanvoeren van bouw- en ophogingsmateriaal maar vooral het tekort aan ophogingsmateriaal. De bouw van de vestingwerken vergde tegelijkertijd ook veel ophogingsmateriaal.

In november 1615 was de verkaveling aan de oostzijde gereed. De kavels kregen met 30 voet eenzelfde breedte als bij de Herengracht. De bebouwing verliep spoedig: in 1618 waren er nog nauwelijks onbebouwde kavels.

Het deel tussen de Leidsegracht en de Amstel behoort tot de vierde uitleg (1658). In 1663 begon het feitelijk graven van dit deel van de Keizersgracht. In 1667 werden beide delen van de Keizersgracht met elkaar verbonden.

Het deel tussen de Amstel en de Plantage Muidergracht werd als laatste aangelegd. Dit deel kreeg de naam Nieuwe Keizersgracht.

Stadsbouwmeester Daniël Stalpaert bedacht tijdens de tweede fase in 1663 een extra straat tussen Keizersgracht en Prinsengracht om de grachtenhuizen een achteringang te verschaffen waar men een koetshuis kon bouwen: de Kerkstraat.

In 1949 liet de gemeente vanwege de iepenziekte alle bomen op de gracht kappen, waarna lindes werden aangeplant.