Đường Bưởi trước đây là một bức tường thành đắp bằng đất của tòa thành bao bọc Hoàng thành Thăng Long ở vòng ngoài thời nhà Lê. Tính từ phía Bắc xuống, tòa thành này phía Tây bắt đầu từ Nhật Tân, chạy ven hồ Tây qua chợ Bưởi, qua các ngã tư Cầu Giấy, ngã tư Sở, ngã tư Vọng và ngã tư Trung Hiền (ở chợ Mơ, thuộc quận Hai Bà Trưng) ra sông Hồng ở Vĩnh Tuy, giao với bức tường phía Đông ở đê sông Hồng. Tòa thành này được đắp bắt đầu thời nhà Mạc (cuối thế kỷ thứ 16), sau thời Trịnh Doanh (giữa thế kỷ 18) thì được tu tạo lại.

Tháng 10 năm 1986, tuyến đường chính thức được đặt tên là đường Bưởi;[3] thời điểm này, đường Bưởi chỉ rộng khoảng 6 m.[2] Năm 2015, đường bị cấm để thi công phần trên cao của đường vành đai 2 Hà Nội đoạn Xuân La – Bưởi – Cầu Giấy.[4] Khi đường trên cao trên được khánh thành vào năm 2016, tuyến đường được mở rộng độ rộng từ 6m lên 58–64m, với 6 làn xe cơ giới.[1]