Le vieil étang fut créé à la fin du Moyen-Âge par les seigneurs pour servir de réserve de pêche. Il appartint longtemps aux Célestins de Paris, seigneurs de Ville-d'Avray, qui vendaient le poisson à des marchands parisiens. On l'appelait autrefois « l'étang des Célestins ».
En 1680, le frère de Louis XIV, Philippe duc d'Orléans décide de faire un nouvel étang pour satisfaire les besoins d'alimentation en eau du château de Saint-Cloud et de son parc. C'est à lui que l'on doit la réalisation de l'Etang Neuf et de sa digue vers 1690, et de l'aqueduc souterrain qui le relie au parc de Saint-Cloud en passant par l'étang de la Ronce et la Fontaine du Roy.

Les étangs sont alimentés par les rigoles recueillant les eaux pluviales de la forêt voisine et par un aqueduc drainant les eaux souterraines. Cet aqueduc se prolonge par la « grande rigole de Ville-d'Avray » qui serpente à l'air libre à travers les propriétés, en amont du Vieil étang.

Ce site privilégié a été longtemps fréquenté par Corot qui avait sa maison de campagne à proximité et en a laissé de nombreux tableaux, visibles dans les musées du monde entier. C'est pourquoi on parle souvent des « étangs de Corot ».

Le Vieil étang a une superficie de plus d'un hectare et une profondeur de 3 mètres. C'est le plus sauvage et le plus séduisant. L'Etang neuf, vieux de plus de 3 siècles, a une superficie de 3 hectares et une profondeur de 5 mètres. Ses rives ont été replantées depuis la tempête de 1999 grâce à la Société de pêche de Ville-d'Avray.
Ce lieu de promenade est facilement accessible aux piétons depuis la réalisation du mail en 1986 qui relie les étangs au centre de la ville et traverse l'ancienne propriété de Corot.

Le site est classé depuis le 21 septembre 1936 et dépend du Ministère de la Culture.