Jean-Baptiste Martenot propose en 1875 le projet de l'actuel kiosque à musique. L'emplacement est choisi et confirmé par le Conseil municipal : entre le jardin à la française et l'allée des chênes du parc du Thabor (une proposition alternative situant le kiosque sur la promenade de la Motte est rejetée). Après avoir consulté des professeurs de chant, les chefs de musique locaux et un physicien pour le volet acoustique, Martenot s'inspire fortement de celui qu'il a visité au Bois de Boulogne à Paris. Les parties métalliques, en fonte ornée, sont confectionnées chez Antoine Durenne, fondeur à Paris (hauts fourneaux et fonderie à Sommevoire, Haute-Marne).

Ce kiosque à musique, "ce petit monument", dont le maire Le Bastard considérait "comme ce qu'il y avait de mieux dans ce genre" (DCM 9 août 1880) est conçu et réalisé entre 1875 et 1880 sous l'égide de Jean-Baptiste Martenot. Il s'agit alors d'accompagner la forte demande d'animation musicale, notamment les concerts de musique militaire de la garnison de Rennes, et le développement des sociétés de musique, qui attirent des foules importantes. La dépense totale de cette construction dépasse les 30 000 Francs pour un crédit initial voté en 1875 de 11 000 Francs. L'Orphéon rennais (créé en 1880 à la demande du maire Le Bastard) et chorales s'y produisent régulièrement, notamment le dimanche.

En 1927, à l'occasion de la réfection complète des peintures et de la dorure du kiosque, par l'entreprise Jobbé-Duval, certains des huit cartouches portant des noms de compositeurs sont modifiés : Bellini, Grétry, Mercadante et Spontini disparaissent et sont remplacés par Bach, Berlioz, César Franck et Wagner ; les autres subsistent : Beethoven, Mozart, Rameau et Weber (ce dernier nom est remplacé par celui de Gounod lors de la restauration de 2010). En 1953, de nouveaux travaux de restauration ont lieu ; puis en 1981, c'est au tour du plancher d'être remplacé à l'identique (en châtaignier) et, l'année suivante, la réfection de l'installation électrique est réalisée. Le kiosque subit une nouvelle consolidation en 1995, après une fermeture à toutes manifestations motivée par des risques de chutes du plancher et de la structure.

En 2010, du fait de sa vétusté et de sa dégradation évidente (la partie supérieure de certains poteaux était fissurée, la base de pierre présentait des désordres fragilisant l'ensemble de la structure, la présence importante de rouille sur de nombreux éléments…), la Ville de Rennes engage une importante phase de travaux de réparation. La détérioration de l'édifice est telle que la restauration nécessite une dépose totale de la construction.  

Plusieurs corps de métier (métalliers, maçons, couvreurs, peintres, menuisiers et doreurs – quelques décors étaient, à l'origine, recouverts de feuilles d'or) interviennent pour le démonter puis le rénover à l'identique, dans les règles de l'artisanat d'art, en se fondant sur les documents d'époque disponibles. La rénovation totale du kiosque concerne l'ensemble des éléments (plancher, structures en fonte, toiture, peintures) ; certains des aspects originaux ont disparu lors des réparations antérieures ou étaient détériorés au point qu'il a fallu les réinterpréter. L'escalier métallique est remplacé par des marches en granit avec rampe.

L'inauguration du kiosque rénové a eu lieu le 2 avril 2011 ; incontournable et majestueux, sa présence orne à nouveau le parc et contribue à lui donner toute son harmonie. Il peut désormais retrouver sa vocation première et accueillir des animations musicales.