Inaugurado el 14 de noviembre de 1926 con el nombre de Sala Olimpia, el antiguo edificio del Teatro Olimpia fue diseñado originalmente para la exhibición de películas, aunque para su apertura se ofreció un espectáculo de variedades.

La sala se estrenó como teatro el 18 de diciembre de 1979, con la obra Galileo Galilei, de Bertolt Brecht. Desde esa fecha y hasta 1984 el espacio fue gestionado por la Asociación Cultural La Corrala, que ofreció una variada programación de espectáculos: El circo imaginariode J. B. Thierrée y V. Chaplin; Fausto de Goethe; Teledeum de Albert Boadella, etc. Y acogió algunos montajes del Festival Internacional de Teatro de Madrid, así como diversas producciones del Centro Dramático Nacional.

El 20 de julio de 1984 la Sala Olimpia pasa a ser la sede del Centro Nacional de Nuevas Tendencias Escénicas (CNNTE), dirigido por Guillermo Heras. Durante la primera temporada se programan allí producciones tanto del CNNTE como del CDN, y ambas instituciones colaboran posteriormente en alguna coproducción.

En 1994, tras la desaparición del CNNTE, el edificio pasa a depender del Centro Dramático Nacional y adquiere la denominación de Teatro Olimpia, convirtiéndose en la segunda sede del CDN.

En junio de 1999, fruto del convenio entre el Instituto de las Artes Escénicas y de la Música (Ministerio de Cultura) y el Ayuntamiento de Madrid, se inició un proyecto de reconstrucción del Teatro Olimpia, inscrito en un plan general de rehabilitación del centro histórico de Madrid. El proyecto culminó con la inauguración, el 21 de febrero de 2006, del Teatro Valle-Inclán, diseñado por los arquitectos Ángela García de Paredes e Ignacio García Pedrosa y garlardonado en 2007 con el Premio Nacional de Arquitectura. 

Este nuevo y flamante teatro, con modernas y avanzadas dotaciones para representaciones escénicas, tiene un aforo de 510 butacas y cuenta con un segundo espacio, denominado Sala Francisco Nieva, que en disposición a la italiana tiene un aforo de hasta 150 butacas.