Nach der Austreibung aus Württemberg Ende des 15. Jahrhunderts wurden Juden, vom Niederlassungsrecht für einzelne Hoffaktoren abgesehen, erst seit Anfang des 19. Jahrhunderts im Königreich wieder württembergische Untertanen. Eine allgemeine Regelung erfolgte im Rahmen eines Staatskirchensystems 1828, vier Jahre später wurde eine jüdische Gemeinde in Stuttgart gegründet. Ihr gehörten auch die jüdischen Einwohner an, die seit den 1850er Jahren vermehrt nach Cannstatt gezogen waren. Das Verbot eines Ortswechsels am Schabbat beförderte bald den Wunsch nach einem eigenen Betsaal, ebenso die Distanz zum Ritus des Stuttgarter Rabbiners Dr. Joseph Maier, eines entschiedenen Vertreters des Reformjudentums. Otto Pappenheimer, später Gemeindevorsteher, stellte auf dem Gelände seiner Baumwollweberei an der Hofener Straße einen Raum zur Verfügung.
Zum 1. Juli 1872 konnte in Cannstatt eine eigene jüdische Gemeinde gegründet werden; sie umfasste auch wenige Familien in Waiblingen, Nürtingen und Kirchheim. Bereits im darauffolgenden Jahr legte die Gemeinde im Gewann Auf der Steig einen Friedhof an; 1895/96 wurden dort eine Toten- und eine Friedhofshalle erbaut, die 1914/15 vom Architekturbüro Bloch & Guggenheimer repräsentativ umgestaltet wurden.
1875 erwarb die Gemeinde das Reithaus des Freiherrn von Eichthal in der König-Karl-Straße (damals Königsstraße) 49 und ließ es nach Plänen des Cannstatter Architekten Christian Weißert zur Synagoge umbauen. Die Einweihung fand am 15. September 1876 mit der Einbringung der Thorarollen statt. Presseberichten zufolge nahm an den Festivitäten am folgenden Tag auch die nichtjüdische Bevölkerung Anteil. Die repräsentative Fassade war nach Norden, Thoraschrein und Vortragspult waren der Tradition gemäß nach Osten ausgerichtet. Der Raum bot jeweils 95 Plätze für Frauen und Männer. Hatte man sich in den 1860er Jahre noch gegen den „Stuttgarter Orgel-Ritus“ gewandt, so fanden 1877 ein Harmonium und 1898 eine Orgel ihren Platz in der Synagoge. Im weiteren Verlauf wurde eine Grünanlage geschaffen, 1929 die Vorhalle modernisiert. Ein Nebenraum diente bis zur Verlegung in die Brunnenstraße 7 in den 1880er Jahren als Schullokal, später als sogenannte kleine Synagoge.
Von der Synagoge ist bis heute nur ein Foto, eine Außensicht, bekannt; umso bedeutsamer ist eine Beschreibung des Innenraums im ersten Drittel des 20. Jahrhunderts von Ludwig Rothschild, verfasst 1961 in der Emigration in Rio de Janeiro.
Obgleich kein Prachtbau wie die Stuttgarter Synagoge von 1861 war das Projekt für die damals wenig mehr als 250 Gemeindeglieder ein Zeichen für Identifikation und Engagement. Einige vermögende Gemeindemitglieder trugen maßgeblich zur wirtschaftlichen Entwicklung Cannstatts und der Region bei, darunter der Direktor der Stuttgarter Hofbank, Marx Pfeiffer, und seine Söhne Eduard und Ernst Ezechiel Pfeiffer; letzterer wurde 1879 zum Ehrenbürger ernannt. Wie 1880 schon in Stuttgart bildete sich gegen Jahrhundertende in Cannstatt eine orthodoxe Gemeinschaft; sie versammelte sich bei David Nathan, Inhaber einer Tuchgroßhandlung, in der Königstraße 84.
Die Gemeinde blieb nach Vereinigung von Cannstatt und Stuttgart 1905 eigenständig; sie erreichte ihren Höchststand kurz vor der Jahrhundertwende mit fast 500 Personen. Als Lehrer und Vorbeter in der Synagoge wirkte von 1871 bis 1909 Julius Metzger. 1909 folgte ihm Emanuel Adler, der in der jüdischen Selbstverwaltung nach dem Ende der Monarchie bis zu seiner Emigration eine wichtige Rolle auf Landesebene spielte.
Die sogenannte Reichskristallnacht vom 9. auf den 10. November 1938 bedeutete für die deutschen Juden den Übergang von Ausgrenzung und Entrechtung zu direkter Verfolgung. Ausgehend von der zentralen Feier in München zur Erinnerung an den NS-Putschversuch von 1923 organisierte Gaupropagandaleiter Adolf Mauer die Zerstörung der Synagogen in Württemberg-Hohenzollern. Vor Gericht konnten 1946 wesentliche Abläufe rekonstruiert werden. Demnach besorgte der Leiter der städtischen Feuerpolizei, August Bender, Benzin zur Brandstiftung der Stuttgarter Synagoge und befahl dem Leiter der Cannstatter Feuerwache, Werner Reutlinger, die dortige Synagoge in Brand zu stecken. Nachdem Angehörige des Sicherheitsapparats die Synagoge durchsucht, Kultgegenstände geschändet und zerstört hatten, setzten Reutlinger und zwei Begleiter mit Putzwolle und Benzin den Bühnenraum in Brand. Die Holzkonstruktion brannte rasch nieder; die von Bürgern alarmierte Feuerwehr schützte nur angrenzende Gebäude. Das Landgericht Stuttgart verurteilte den geständigen Reutlinger wegen Brandstiftung zu einem Jahr Zuchthaus. Der zunächst freigesprochene Stuttgarter Branddirektor Bender erhielt in zweiter Instanz eine Zuchthausstrafe von zwei Jahren.
Die Cannstatter jüdische Gemeinde, die 1933 noch 216 Mitglieder gezählt hatte, existierte 1938 nicht mehr. Sie war zu Jahresbeginn 1936 sozusagen in die Stuttgarter Gemeinde zurückgekehrt. Das war nicht nur eine Folge der Emigration von Mitgliedern, sondern auch der prekären finanziellen Lage, denn im NS-Staat mussten die Gemeinden alle Kosten bei wachsenden Soziallasten selbst tragen. Nach dem Novemberpogrom 1938 plünderte das Regime die verbliebenen deutschen Juden aus, verschleppte sie in Zwangswohnungen auch auf dem Land, ehe am 1. Dezember 1941 die systematischen Deportationen begannen. Nach Recherchen der Cannstatter Stolperstein-Initiative wurden über 50 jüdische Cannstatter Opfer der Schoa.
Den Synagogenplatz musste die nach Auflösung der jüdischen Gemeinden gebildete Kultusvereinigung Württemberg e. V. an die Stadt Stuttgart verkaufen, die dort ab November 1940 einen Tiefbunker für bis zu 1.000 Personen errichtete, nach einer nahegelegen Gaststätte an der Daimlerstraße auch „Sonnenbunker“ genannt. Der Bunker fungierte nach Kriegsende bis in die 1950er Jahre als Notwohnung.
Die bereits im Juni 1945 neu gegründete Israelitische Kultusvereinigung Württembergs (IKVW) bemühte sich um eine angemessene Gestaltung des Cannstatter Synagogenplatzes. 1947 legte das städtische Gartenamt in Abstimmung mit der IKVW den Plan einer Anlage samt Gedenkstein vor, die das ehemalige Grundstück mit Synagoge und Vorgarten umfassen sollte. Doch nach Schändung von Gedenkorten in anderen Städten verzichtete die IKVW, wie in der Stuttgarter Hospitalstraße, auf einen Gedenkstein. Wenig später gelangte das Areal im Zuge der Rückerstattung in den Besitz der Jewish Restitution Successors Organization, die sich in Konkurrenz zu den neuen Gemeinden als Sachwalterin der in der Schoa Ermordeten verstand. Von ihr konnte die Stadt das Areal erwerben – und legte dort einen Parkplatz an.
Den Anstoß zur Gestaltung eines Gedenk- und Erinnerungsorts gab 1959 der Schriftsteller Leopold Marx, der 1939 von Cannstatt nach Shavei Zion in Palästina emigriert war. Die Stadt nahm seinen Wunsch auf, im Rahmen einer würdigen Gestaltung einen Gedenkstein oder eine Gedenktafel zur Erinnerung an die frühere jüdische Gemeinde anbringen zu lassen. Am 14. Juli 1961 fand die Einweihung eines vom Stuttgarter Bildhauer Herbert Gebauer gestalteten Gedenksteins statt, der neben einem kleinen Relief mit der stilisierten Fassade des Bauwerks die Inschrift trägt: „Hier stand die von der Israelitischen Gemeinde Cannstatt im Jahre 1876 errichtete Synagoge. Sie wurde in der Nacht vom 8. zum 9. November 1938 in der Zeit einer gottlosen Gewaltherrschaft zerstört. Zum Gedächtnis an unsere Mitbürger jüdischen Glaubens, zur Mahnung, nie wieder den Ungeist des Hasses und der Verfolgung aufkommen zu lassen, hat die Stadt Stuttgart diesen Stein gesetzt.“ Die Formulierung war in zeittypischer Weise wenig konkret. Auch fiel zunächst niemand auf, dass die Zerstörung der Synagoge in der Nacht vom 9. auf 10. November 1938 stattgefunden hatte; später erfolgte eine Korrektur.
Der Bau einer Tiefgarage unter dem Synagogenplatz erforderte 1987 eine Umgestaltung, bei der der Gedenkstein in die Mitte einer mit Hainbuchen gefassten Grünfläche versetzt wurde. Eine inhaltliche Auseinandersetzung leisteten aber erst 2004 Schülerinnen und Schüler des Albert-Magnus-Gymnasiums mit ihrem Lehrer Dr. Alfred Hagemann und dem Künstler Michael Deiml. Sie verfremdeten den Platz mit Denk-Zeichen, machten den Grundriss der Synagoge sichtbar und erinnerten an einem Bunkerzugang an jüdische Persönlichkeiten aus Cannstatt. Die Einweihung fand am 9. November 2004 statt.
Die aktuelle Platzgestaltung nach Plänen des Landschaftsarchitekten Wolfgang Blank ist Ergebnis eines bürgerschaftlich initiierten und vom Stadtplanungsamt koordinierten Projekts; die Einweihung fand am 26. Oktober 2022 statt. Die Neugestaltung zielt darauf ab, den Standort der ehemaligen Synagoge und die einzelnen Phasen der Gestaltung des Gedenkortes trotz der radikalen städtebaulichen Überformung ablesbar und vor Ort erfahrbar zu machen. Drei Glasstelen, die über jüdisches Leben in Cannstatt, die Synagoge sowie die Erinnerungskultur der Nachkriegszeit informieren, und vier Glasstelen, die das einzig verbliebene Foto der Synagoge zeigen, bilden die räumliche Fassung eines kleinen Stadtplatzes. Der Gedenkstein von 1961, zwei der 1987 gepflanzten Hainbuchen sowie die erneuerten Elemente des Kunstprojekts von 2004 sind in die Neugestaltung integriert. An der König-Karl-Straße weist eine Informationstafel auf den Rundgang zu Orten jüdischen Lebens in Bad Cannstatt hin.