Весной 1875 года Пётр Ильич Чайковский принял предложение Владимира Петровича Бегичева, управляющего Императорскими Московскими театрами, написать балет, но при этом высказал пожелание, чтобы его основой стал «фантастический сюжет из рыцарских времен». Бегичев сам написал программу балета, композитор ее одобрил и согласился написать музыку на этот сюжет.

В сентябре 1875 года Чайковский писал композитору Н.А. Римскому-Корсакову:

Сочинение музыки продолжалось год с небольшими перерывами, поскольку Чайковский одновременно работал и над другими произведениями (в том числе над Третьей симфонией). Инструментовка балета, судя по дате в конце автографа партитуры, была закончена 10 апреля 1876 года в Глебове — имении М.В. Шиловской.

Премьера балета состоялась на сцене московского Большого театра в 1877 году в декорациях Карла Вальца (II и IV акты), Ивана Шангина (I акт), Карла Гроппиуса (III акт). Партию Одетты (и, вероятно, Одиллии) на премьере спектакля исполнила балерина Полина Карпакова, партию принца Зигфрида — Арнольд Гиллерт. Постановка Рейзингера успеха не имела и была признана неудачной: музыкальный критик Герман Ларош писал, что «по танцам „Лебединое озеро“ едва ли не самый казенный, скучный и бедный балет, что дается в России», другие критики иронизировали по поводу «замечательного умения» Рейзингера «вместо танцев устраивать какие-то гимнастические упражнения» и заимствовать характерные танцы из других балетов.

Классической для последующих постановок стала версия балета, осуществленная уже после смерти композитора балетмейстерами Мариусом Петипа (I и III акты) и Львом Ивановым (II и IV акты, венецианский и венгерский танцы III акта). Автором переделанного либретто выступил Модест Чайковский. Премьера состоялась в бенефис популярной итальянской танцовщицы Пьерины Леньяни, которая блестяще исполнила партии Одетты-Одиллии в 1895 году на сцене Мариинского театра. Петербургские постановщики изменили трагический финал на счастливый.