Die Planungen für eine Verbindung von der Stadtmitte in den Osten von Stuttgart reichen bis in die 1920er-Jahre zurück. Das Vorhaben wurde damals aus finanziellen Gründen allerdings auf Grund der wirtschaftlichen Lage nicht realisiert. Der Luftkrieg im Zweiten Weltkrieg ließ die Baupläne dann wieder zur Realität werden. Auf der Suche nach geeigneten Standorten für Luftschutzräume ließ dieses Projekt wieder aktuell werden. Am 21. November 1940 begannen im Stuttgarter Gemeinderat die Beratungen mit den Beiräten für Luftschutzfragen als Folge des Führererlasses vom 10. Oktober 1940, wonach auch in Stuttgart im großen Ausmaß bombensichere Luftschutzräume zu bauen waren. Der Stuttgarter Luftschutzreferent Oberbaurat Scheuerle stellte den Plan eines 780 m langen Tunnels mit zwei Röhren von je zehn Metern Breite vor, der allgemeine Zustimmung fand. Es war mit Abstand das teuerste Bauwerk für den Luftschutz in Stuttgart und war mit 8,5 Millionen Reichsmark veranschlagt. Am 22. November 1940 besichtigten die Beiräte für Luftschutzfragen den Engelbergtunnel in Leonberg, um weitere Anregungen zu bekommen. Am 10. Marz 1941 wurde dem Eigentümer des Hauses Wagenburgstraße 62, der sich zu dieser Zeit als Besatzungssoldat in Paris befand, telegrafiert, dass sein Haus abgerissen werden müsse. Am 25. April 1941 erwarb die Stadt das Grundstücke Urbanstraße 41A, und am 7. Mai die Urbanstraße 41B. Beide Grundstücke lagen im Bereich der zukünftigen Eingänge. Danach wurde mit den Arbeiten am Tunnel für den Großstollen begonnen. Im Sommer 1941 arbeiteten ca. 500 Personen an diesem Großstollen.
Am 28. August 1941 war ein Richtstollen von 150 Metern Länge fertig. Für beide Röhren wurden zunächst durchgängige Sichtstollen mit ca. 3 Metern Breite und 2,5 Metern Höhe hergestellt, die dann auf die endgültige Höhe und Breite ausgebaut werden sollten. Bis zum Kriegsende war der Tunnel von den Westportalen her zu 70 (Nordröhre) bzw. 150 Metern (Südröhre) ausgebaut, von Osten her waren nur 90 Meter der Südröhre auf diesem Stand. In der Nordröhre gab es einen Stollenteil der in einer Länge von 40 Meter zwei Geschosse hatte, die für den Luftschutz genutzt wurden. 
Der Aufgang in das 2. Stockwerk
Am 25. April 1942 war Richtfest für die Fertigstellung des Richtstollens gefeiert. Die beteiligten Firmen waren Alfred Kunz & Co München, C. Baresel AG Stuttgart, Müller-Altvatter & Co Stuttgart. Teile der Bau-Arge wurden für den Bau des BW 22 Kirchweinberg abgezogen, weil es dort so langsam vorwärts ging. Die Bauleitung hatte die Firma Kunz unter der Führung von Dr. Wiedemann. In der ersten Bauphase wurden italienische und kroatische Arbeitskräfte angeheuert, die aber sehr schnell ihrem Arbeitsplatz den Rücken kehrten und aus ihrem Urlaub nicht mehr an ihren Arbeitsplatz zurückkehrten.Im März 1941 arbeiteten noch 500 Personenam Tunnel, im Sommer 1942 war die Anzahl auf 180 zusammengeschmolzen. Die Lebensbedingungen wie zum Beispiel ihre Unterkunft waren extrem schlecht. Der Ausfall konnte nur teilweise durch polnische Fremdarbeiter kompensiert werden.
Der Ausbruch wurde mit Straßenbahnen nach Obertürkheim verbracht und damit dort die alten Neckararme verfüllt.
Während des Krieges konnten die Menschen auf Tribünen, die in 3er Reihen hintereinander standen Platz nehmen. Binnen zwei Jahren waren die Erkundungsstollen für beide Röhren hergestellt. Doch nicht alle in Stuttgart lebenden Menschen waren willkommen. Ein Zeitzeuge berichtet: "Grundsätzlich war Ostarbeitern das Aufsuchen des Bunkers bei Luftangriffen verboten. Dies wurde aber nicht überall beachtet. So gingen die bei der Firma Kübler beschäftigten Polinnen in den Wagenburgtunnel. Sie durften allerdings nicht in das Innere des Tunnels, sondern mussten sich im Eingangsbereich aufhalten." Nach einem schweren Bombenvolltreffer in der der Fürstenstrasse wurde auch das Fernflugwachkommando vorübergehend in den Tunnel verlegt. Außerdem wurden zum Schutz vor Bomben Anfang der 1940er Jahre Kunstgegenstände, wie die Schiller Statue vom Schillerplatz im Wagenburgtunnel aufbewahrt. Diese wurde am 19. Juni 1942 in den Stollen verbracht. 1943 wurden die weiteren Ausbauarbeiten wegen der Kriegsereignisse gestoppt werden. Es standen nicht genügend Arbeitskräfte für dieses Bauobjekt zur Verfügung. Dennoch fanden bei den Bombenangriffen in dem nur teilweise notdürftig ausgebauten Stollen bis zu 20.000 Menschen Schutz.. Der Eingang war mit Mauern im Zick-zack System geschützt, damit der Luftdruck durch explodierende Bomben nicht in den Tunnel eindringen konnte.
1944 waren Planungen im Gange, in dem Schutzbauwerk eine Untertageproduktion zu platzieren. Unter den Decknamen „Wachtel“ und „Weihe“ liefen die Planungen, die Produktion der INDEX-Werke GmbH & Co. KG Hahn & Tessky, Esslingen für die Produktion von Drehautomaten zur Verfügung zu stellen und der Stuttgarter Fortuna Werke AG zur Herstellung von Innenschleifmaschinen dorthin zu verlagern. Nach den Planungen sollten dafür 15.000 qm zur Verfügung stehen, was etwa dem fertigen Luftschutzraum entsprach. Diese Pläne veranlassten den Oberbürgermeister Dr. Karl Strölin dagegen zu intervenieren, da die Schutzräume in Stuttgart immer noch zu gering waren. Die Pläne wurden daraufhin nicht mehr weiter verfolgt.
Nach den schweren Juliangriffen von 1944, bei denen die komplette Innenstadt zerstört wurde, wurde der Wagenburgtunnel als Notunterkunft für die Ausgebombten genutzt. Dafür wurden Feldbetten aufgestellt. Die schweren Schäden um den Eingang des Schutzbauwerkes ließen den Zugang nur unter erschwerten Bedingungen zu, da der Weg dorthin mit Trümmern überseht war.
Am 22. Februar 1945 gab es bei einem Luftangriff 30 Tote vor dem Eingang des Tunnels. Die Menschen waren nicht rechtzeitig in den Tunnel gelangt.
Mit dem Kriegsende tauchte der Namen Wagenburgstollen immer wieder als Ort von Vergewaltigung durch die Besatzungsmacht der Franzosen auf.
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