Впервые здесь был построен в 1725-1726 г.г. по проекту инженера Х. Фан Болеса деревянный мост-акведук, по которому подавали воду для питания фонтанов в Летнем саду. Акведук просуществовал до 1777 года и был разобран после наводнения, в результате которого фонтаны были разрушены.
В 1748-1749 г.г. здесь соорудили новый мост в стиле барокко по проекту архитектора Ф.Б. Растрелли.
В 1823-1824 г.г., в связи с перепланировкой района Марсова поля и Михайловского замка, был сооружен первый цепной мост через р. Фонтанку. Мост исправно прослужил 83 года и был разобран в 1906 году из-за обрушения аналогичного цепного Египетского моста через р. Фонтанку, которое произошло в 1905 году.
В 1907–1908 годах на месте цепного моста был сооружен современный, однопролетный металлический, арочный мост. В 1908 году по мосту открылось движение.
Архитектурный облик Пантелеймоновского моста получил свое завершение лишь в июле 1914 года. По проекту архитектора Л.А. Ильина мост был богато декорирован в стиле ампир, как и соседние Инженерные мосты, а также ограда Летнего сада со стороны Мойки.