Во второй половине XX века назрела необходимость повысить маневренность энергосистем в европейской части СССР, и «Институт Гидропроект» исследовал условия строительства гидроаккумулирующих электростанций. Так, в 1974 году было решено возвести пилотную ГАЭС на реке Кунье в поселке Богородском Московской области. 

Строительство станции было экспериментальным: стране впервые предстояло спроектировать и построить ГАЭС такого масштаба с применением новейших инженерно-технических решений. В их числе – обратимые гидро­агрегаты и протяженные сталежелезобетонные напорные водоводы большого диаметра.

В 1980 году началось возведение основных сооружений станции. Первый гидроагрегат введен под занавес 1987 года, а последний, шестой – только на рубеже тысяче­летий. В 2003 году подписан акт о приемке Загорской ГАЭС в постоянную эксплуатацию. Сейчас станция – один из самых значимых объектов Объединенной энергосистемы Центра, который покрывает пиковые нагрузки в регионе.

На станции реализуется Программа комплексной модернизации: в 2019 году ГАЭС начала выдавать электроэнергию через новое распредустройство – КРУЭ 500 кВ, а в 2021-м на ней заработала противоаварийная автоматика разгрузки при коротких замыканиях линий 500 кВ. В 2022 году совместно с Системным оператором реализован проект, который позволяет дистанционно управлять коммутационными аппаратами КРУЭ 500 кВ и распред­устройством 500 кВ станции, что сократило время производства оперативных переключений, снизило риск ошибочных действий диспетчерского и оперативного персонала.