نخستین بار کلمه «خیابان» در نقشه نجم الدوله (۱۳۰۹ قمری) ذکر شده است. این نقشه مربوط است به اواخر عهد ناصرالدین شاه.
در این نقشه نام خیابان‌هایی نظیر: جلو قبرستان (مولوی)، باغ معیر الممالک (مولوی) و باغ قوام الدوله (شاهپور = وحدت اسلامی) و امیریه (ولی عصر (عج)) امیریه (سپه = امام خمینی (ره) و باغ جنت (ولی عصر (عج)) و ... ذکر شده است.
در زمان ناصرالدین‌شاه، در غرب تهران و در میان باغ‌ها و مزارع شاهزادگان و درباریان قاجاری چند تکه خیابان در امتداد هم طراحی و نامگذاری شدند.
از میان این خیابان‌ها که تعدادشان هم زیاد نیست، چند تکه خیابان در امتداد هم، هسته اولیه خیابان پهلوی سابق و ولیعصر (عج) امروزی را پی افکندند.
این خیابان‌ها عبارتند از: خیابان باغ جنت از پل امیر بهادر تا میدان منیریه فعلی، خیابان امیریه از میدان منیریه تا میدان سردرسنگی یا کاخ مرمر، خیابان باغ انگوری از کاخ مرمر تا جنوب چهار راه شاه (خیابان جمهوری)، خیابان جدید جناب وزیر که در میان اراضی بایر و بیابانی وزیر از جنوب چهار راه شاه فعلی تا مجاورت ضلع شمالی حصار ناصری، یعنی جایی که بعدها کافه بلدیه (چهار راه پهلوی = چهار راه انقلاب) بنای کنونی تئاتر شهر ساخته شد.
از به هم پیوستگی این خیابان‌ها، طولانی‌ترین، مهم‌ترین، پرجاذبه‌ترین و مشهورترین خیابان تهران و همچنین ایران متولد شد.
خیابان ولیعصر (عج) امروزی در سال‌های اول حکومت پهلوی اول به شکل یکپارچه درآمد. عبداالله مستوفی انگیزهٔ ساخت این خیابان را تصمیم رضا خان برای متصل کردن کاخ سعدآباد به کاخ مرمر ذکر کرده است.
احداث جاده مخصوص پهلوی یا همان خیابان پهلوی سابق (ولی عصر فعلی) از سال ۱۳۰۰ شمسی آغاز شد. در آن زمان رضاخان سردار سپه در دوران وزارت جنگی خود (۱۳۰۲ - ۱۳۰۰) تصمیم به احداث این جاده گرفت.
او تازه شروع به خریدن املاک و مستغلات کرده و باغی در سعدآباد را که قبلاً از مستغلات بانو عظمی خواهر ظل السلطان و دختر ناصرالدین شاه بود در شمال قصبه تجریش خریداری کرده بود.
همچنین درختکاری اطراف این خیابان، کشیدن نهر برای آبیاری درختان آن نیز از سال ۱۳۰۰ آغاز شد. در سال ۱۳۰۷ خیابان پهلوی بالا به وسیله بلدیه تهران سنگفرش شد و سپس با ورود آسفالت به صحنه خیابان سازی شهرها، در سال ۱۳۰۹ مجلس شورای ملی قانونی را برای احداث و توسعه خیابان‌های تهران تصویب کرد و پس از آن مراحل ساخت جاده مخصوص پهلوی آغاز و برای نخستین‌بار این خیابان قیر ریزی شد. در سال ۱۳۱۱ خورشیدی، خیابان پهلوی یا ولیعصر (عج) امروزی آسفالت شد.
جاده مخصوص یا جاده پهلوی تا سال ۱۳۲۰ اختصاصی بود و مردم از جاده قدیم شمیران به تجریش می‌رفتند. خاصان، درباریان، وزیران، سفرا و نظامیان که دستور شرفیابی به آنان ابلاغ می‌شد از جاده مخصوص تردد می‌کردند.
پس از شهریور ۱۳۲۰، این سد شکست و این جاده عمومی شد. خودروهای متفقین و سپس مردم از این جاده عبور کردند اما سال‌ها گذشت تا جاده پهلوی به صورت خیابان پهلوی درآمد.
خیابان پهلوی سابق و خیابان ولیعصر (عج) امروزی از میدان راه‌آهن با ۱۱۰۰ متر ارتفاع از سطح دریا آغاز و به میدان تجریش با۱۶۰۰ متر ارتفاع از سطح دریا در منطقهٔ شمیرانات ختم می‌شود.
چون در دوره پهلوی، منطقه شمیرانات بیشتر شکلی ییلاقی داشت، این مسیر نیز به شکل جاده‌ای بود که از میان تپه‌ها می‌گذشت و چندان شباهتی به خیابان‌هایی مانند سپه (امام خمینی) و شاهرضا (انقلاب) که اطراف آنها ساختمان‌های مدرن ساخته شده بود، نداشت. این خیابان با ردیف‌های چنار منظم در اطراف خود شهرت جهانی دارد.
پیش از پیروزی انقلاب اسلامی، این خیابان به نام «خیایان پهلوی» نامیده می‌شد. پس از انقلاب اسلامی، در آغاز، خیابان پهلوی، به خیابان مصدق تغییر نام یافت و بعد از مدتی به خیابان ولیعصر (عج) نامگذاری شد.
خیابان ولیعصر (عج) دارای چندین هزار مترمربع پیاده‌رو، جوی بزرگ آب و حدود ۱۱ هزار چنار در دو طرف خود است که حدود ۹۰ سال از عمر آنها می‌گذرد.
چون چنار با آب و هوای تهران بسیار سازگار است، در ابتدا دو طرف خیابان ولیعصر (عج) را چنار کاشتند. همان زمان برای آبیاری آنها در سه راه زعفرانیه دو حلقه چاه حفر کردند.
وجود چنارهای خیابان ولیعصر (عج) چنان زیبایی دلپذیری به این خیابان داده، که بی شک آن را جزو زیباترین خیابان‌های شهرهای جهان درآورده است.
این چنارها که اکنون جزو میراث ملی به شمار می‌آیند، خاطرات دل‌انگیز چندین نسل از تهرانی‌ها را با خود دارند. بدین سبب حفظ و نگهداری آنها از وظایف مهم و دغدغه شهرداری تهران به خصوص سازمان زیباسازی شهر تهران است.
در طول مسیر حدود ۱۸ کیلومتری خیابان ولیعصر، غیر از میادین تجریش و راه‌آهن که در ۲ سوی شمال و جنوب آن قرار دارند، ۳ میدان (منیریه، ولیعصر (عج) و ونک) نیز به یکدیگر متصل هستند. این خیابان همچنین در محدوده ۴ منطقه شهری تهران (مناطق ۱، ۳، ۶ و ۱۱) قرار دارد.
همچنین بسیاری از بزرگ‌راه‌ها و خیابان‌های اصلی کلانشهر تهران در طول این مسیر، با خیابان ولیعصر مرتبط می‌شوند. این ارتباط نشان دهنده این نکته است که در واقع این خیابان یک شاهراه ارتباطی در کلانشهر تهران به حساب می‌آید.
همچنین در طول این خیابان به راحتی می‌توان به بسیاری از مراکز تفریحی (پارک ساعی و پارک ملت، سینماها و پردیس سینمایی ملت، موزه‌ها و ...)، خدماتی - درمانی (بیمارستان‌ها (قلب شهید رجایی، خاتم الانبیاء، ولیعصر(عج) و ...) مراکز اداری و دولتی (چندین وزارتخانه و سفارتخانه) و مراکز علمی و دانشگاهی دسترسی پیدا کرد.
در کنار موارد فوق باید به مراکز تجاری که در طول این خیابان وجود دارد اشاره‌ای ویژه شود. این مراکز تجاری از جمله نقاط پر تردد کلانشهر تهران به حساب می‌آیند.