1919 beschloss der FV Kaiserslautern (Vorläufer des 1. FC Kaiserslautern), auf dem Betzenberg am Rand der Stadt eine eigene Sportanlage aus gekauften und gepachteten Grundstücken zu errichten. Am 13. Mai 1920 wurde der zunächst als Sandplatz mit Zuschauerrängen und einer hölzernen Tribüne an der Südseite angelegte "Sportplatz Betzenberg" mit einer 0:2-Niederlage gegen den FC Pfalz Ludwigshafen vor rund 3.500 Zuschauern eröffnet. 1926 wurde der Sandplatz durch einen Rasenplatz ersetzt. Am 21. Juni 1925 wurde im Stadion ein Kriegerdenkmal zur Erinnerung an gefallene Gründungsmitglieder des Ersten Weltkriegs errichtet.
Am 23. November 1930 zerstörte ein Orkan Teile der Anlage auf der Südseite. In den Jahren 1931/32 wurde die Anlage im Rahmen einer Arbeitsbeschaffungsmaßnahme mit Betonrängen neu errichtet; bis zu 140 arbeitslose Vereinsmitglieder waren an den Bauarbeiten beteiligt. Die Kapazität wuchs dadurch auf rund 18.000 Zuschauer, die erneuerte Anlage wurde am 25. September 1932 eingeweiht.
Das Fritz-Walter-Stadion ist vollständig überdacht und verfügt über eine Rasenheizung sowie ein eigenes Fernsehstudio. Auf drei der vier Tribünendächer ist eine Photovoltaikanlage mit rund 6.000 Quadratmetern Solarmodulen installiert, die seit der Saison 2010/11 als eine der größten Solaranlagen auf einem Stadiondach in Deutschland gilt.
Da die Anlage über keine Laufbahn verfügt, liegen die Tribünen sehr nah am Spielfeld, was dem Stadion unter Gästefans und -mannschaften den Ruf einer "Festung" eingebracht hat. Die Westtribüne bietet mit 14.688 Stehplätzen die zweitgrößte reine Stehplatztribüne Deutschlands nach der Südtribüne des Signal-Iduna-Parks in Dortmund. Die vier Zugänge des Stadions sind nach Spielern der Weltmeistermannschaft von 1954 benannt: das Ottmar-Walter-Tor am Nord-/Osteingang, das Horst-Eckel-Tor an der Westtribüne, das Werner-Kohlmeyer-Tor im Süd-/Ostbereich und das Werner-Liebrich-Tor im Osten. Die architektonische Leitung der Erweiterungen seit 1972 lag beim Architekten Folker Fiebiger. In der Osttribüne und im nordöstlichen Logenturm befindet sich zudem das FCK-Museum mit einer Dauerausstellung zur Vereinsgeschichte.
1953 wurde die Anlage erstmals größer umgebaut und die Kapazität auf rund 30.000 Zuschauer erhöht. Mit dem Aufstieg in die neu gegründete Bundesliga 1963 wurde eine neue Südtribüne mit 9.000 Sitzplätzen für rund 3 Millionen D-Mark errichtet, und am 18. Dezember 1963 ging die Flutlichtanlage in Betrieb. Am 7. November 1964 kam es bei einem überfüllten Spiel auf der Südtribüne zu einem Gedränge, bei dem der Zuschauer Emil Heim tödlich verletzt wurde.
1972/73 wurde die Nordtribüne mit einer Kapazität von 3.300 Plätzen neu errichtet und am 20. Juli 1973 eröffnet; bis 1972 war die Gesamtkapazität bereits auf rund 38.000 Zuschauer gewachsen. 1978 wurde die Ostkurve überholt und überdacht (Kapazität rund 14.500) und eine neue Flutlichtanlage installiert. 1986 wurde die Westkurve begradigt und überdacht; zugleich wurden eine Rasenheizung und elektronische Anzeigetafeln eingebaut, wodurch die Kapazität auf rund 38.000 Plätze stieg.
1994 wurde für rund 63 Millionen D-Mark (ursprünglich mit 34,5 Millionen D-Mark veranschlagt) eine neue Nordtribüne mit VIP-Logen und modernem Komfort gebaut; die Einweihung erfolgte am 29. Juli 1994 mit einem Freundschaftsspiel gegen die Glasgow Rangers. 1998 wurde die Südtribüne für rund 23 Millionen D-Mark komplett neu errichtet und am 22. August 1998 mit 9.500 Sitzplätzen in Betrieb genommen.
Zwischen 2002 und 2005 wurde das Stadion für die Fußball-Weltmeisterschaft 2006 umgebaut; die Bauarbeiten gerieten durch die Insolvenz des beauftragten Bauunternehmens Philipp Holzmann in Schwierigkeiten. 2003 wurde das Stadion für rund 58 bis 65 Millionen Euro (die Angaben in den Quellen schwanken) an die eigens gegründete, zu 100 Prozent der Stadt Kaiserslautern gehörende Fritz-Walter-Stadion Kaiserslautern GmbH verkauft. Die WM-Umbaukosten waren ursprünglich mit 48,3 Millionen Euro veranschlagt, beliefen sich am Ende jedoch auf rund 71 bis 76,5 Millionen Euro; den Großteil der Mehrkosten übernahm das Land Rheinland-Pfalz. Am 2. Dezember 2005 musste das Stadion wegen eines Dachschadens vorübergehend gesperrt werden, ein Bundesligaspiel gegen Eintracht Frankfurt wurde verlegt und provisorische Stützpfeiler zur Sicherung eingebaut, die vor der WM wieder entfernt wurden. Nach dem Umbau bot das Stadion offiziell 48.500 Plätze (32.137 Sitz- und 16.363 Stehplätze); während der WM selbst war die Kapazität wegen einer erweiterten Pressezone auf der Nordtribüne auf 46.000 reduziert, mit nationaler Ausnahmegenehmigung wurden bis zu rund 50.000 Zuschauer zugelassen.
Am 27. August 2010 wurde die offizielle Kapazität wegen zusätzlicher VIP-Plätze auf der Osttribüne und mehr Stehplätzen für Gästefans auf 49.780 erhöht. Am 3. August 2017 stieg sie nach dem Umbau des Gästebereichs geringfügig auf 49.850 Plätze bei nationalen Spielen (47.103 bei internationalen Partien). Zum 1. April 2023 wurde die Kapazität nach dem Einbau der neuen doppelten Zaunanlage im sogenannten "Löwengang" auf 49.327 Plätze verringert.
Von der Eröffnung 1920 bis 1985 war die Anlage unter dem Namen "Betzenbergstadion" bzw. "Stadion auf dem Betzenberg" bekannt und wird von den Fans bis heute umgangssprachlich "Betze" genannt. In der kurzen Phase der französischen Besatzung nach dem Zweiten Weltkrieg trug die Anlage vorübergehend den Namen "Stade Monsabert", benannt nach dem französischen General Joseph de Goislard de Monsabert.
Am 2. November 1985, dem 65. Geburtstag von Fritz Walter, dem Kapitän der deutschen Meistermannschaften von 1951 und 1953 und der Weltmeistermannschaft von 1954, wurde das Stadion in "Fritz-Walter-Stadion" umbenannt. Der Überlieferung nach verlor der 1. FC Kaiserslautern nach der Umbenennung zunächst sechs Heimspiele in Folge (vier Unentschieden, zwei Niederlagen), worauf Fritz Walter scherzhaft anbot, dem Stadion seinen alten Namen zurückzugeben, sollten die Erfolge nicht zurückkehren.
Am 6. Mai 2006 kamen zum Bundesligaspiel gegen den FC Bayern München rund 50.750 Zuschauer, was dank einer Ausnahmegenehmigung über der regulären Kapazität von 48.500 lag und als Rekordbesuch der Nach-WM-Ära gilt. Am 18. Mai 2008 wurde beim Spiel gegen den 1. FC Köln erstmals die reguläre Kapazitätsgrenze von 48.500 Zuschauern voll ausgeschöpft.
Bei der Fußball-Weltmeisterschaft 2006 war das Fritz-Walter-Stadion Schauplatz von fünf Partien: vier Gruppenspielen und einem Achtelfinale (Italien gegen Australien), zu denen jeweils rund 46.000 Zuschauer kamen.
Am 25. März 1995 fand im Stadion das Finale der Fußball-Europameisterschaft der Frauen statt: Deutschland setzte sich gegen Schweden mit 3:2 durch, rund 8.500 Zuschauer verfolgten die Partie.
Zum 100-jährigen Jubiläum des 1. FC Kaiserslautern gab Eros Ramazzotti am 31. Mai 2000 gemeinsam mit der Band Echt ein Konzert vor rund 28.000 Besuchern im Stadion.
Ab 1933 wurde die Anlage von der NSDAP für Sportveranstaltungen der Hitlerjugend, des Bundes Deutscher Mädel und des Deutschen Jungvolks missbraucht; auch Wehrsporttage und Geländeübungen der SA sowie neuheidnische Sonnwendfeiern fanden dort statt. Das 1925 errichtete Kriegerdenkmal im Stadion wurde in dieser Zeit propagandistisch instrumentalisiert.
Regelmäßig fanden im Stadion auch Heimspiele der Militärstandortmannschaft Kaiserslautern statt, die in der örtlichen Presse großes Interesse fanden. Als Konzertstätte diente das Stadion unter anderem 2000 für ein Konzert von Eros Ramazzotti anlässlich des 100-jährigen Vereinsjubiläums.
Heute bietet das Fritz-Walter-Stadion 49.327 überdachte Plätze und ist die Heimspielstätte des 1. FC Kaiserslautern. Die Anlage verfügt über Rasenheizung, ein eigenes Fernsehstudio und eine der größten Solaranlagen auf einem deutschen Stadiondach. Die 14.688 Stehplätze umfassende Westtribüne gilt als eine der eindrucksvollsten Fankulissen Deutschlands und trägt zusammen mit der geringen Distanz zum Spielfeld wesentlich zum Ruf des Betzenbergs als "Festung" bei. In der Osttribüne und im nordöstlichen Logenturm hält das FCK-Museum die Vereinsgeschichte lebendig.