В глубокой древности улица называлась Остожьем, в XVII и XVIII веках – Стоженкой, XIX – Остоженкой. Во времена Ивана Грозного улица находилась в опричнине и с того времени стала улицей знати, особенно активно расселявшейся здесь в середине XVIII- XIX веках.
Издревле это место славилось своими заливными лугами и богатыми покосами, поэтому данная местность и была названа Остожьем. Так что возможно Остоженка своим названием обязана словам - стог «большая высокая и округлая куча плотно уложенного сена, соломы или снопов» и остожье «место, где стояли стога». Из-за обилия лугов здесь в глубокую старину появились митрополичьи конюшни, а потом сюда были переведены и царские конюшни. Так возникла царская Конюшенная слобода. Именно в непосредственной близости от Остожья находился царский Конюшенный двор и Старая Конюшенная слобода, по которой близлежащий переулок до сих пор называется Староконюшенным.
Большая часть существующих на Остоженке переулков названа фамилиями домовладельцев того времени: Хилков, Турчанинов, Соймоновский, Всеволожский, Лопухинский, Барыков, Мансуровский, Еропкинский, Коробейников переулки.
В 1806 году дом бывшего главнокомандующего Москвы П.Д. Еропкина (№38), построенный в 1771 году, был куплен купечеством, и в него перевели открытое в 1804 году коммерческое училище. Постройка XVIII века - огромный дом в классическом стиле – дошла до нашего времени.
В пожар 1812 года этот и многие другие дома на улице горели, но вскоре были восстановлены.
На месте слободки стадных конюхов, появившейся в XVII веке, в начале XIX века был построен дворец великого князя Михаила Павловича. А напротив на месте казенных светлиц Остоженских государевых конюшен, в 1827 году стояли уже казенные провиантские склады, для которых в 1830-х годах построили новое здание – один из выдающихся памятников русского ампира.
В 1933-1935 годах улица была вскрыта на большую глубину для проведения открытым способом строительства первой линии Московского метрополитена — Сокольнической. Работы были очень трудные: приходилось переводить все водопроводные, канализационные, газовые и прочие трубы, не нарушая их функций. Завершены они были в 1935 году, и на улице соорудили вестибюль станции метро «Парк Культуры».
В честь данных работ улица в 1935 году была переименована в Метростроевскую. И обратно свое название, Остоженка, получила только в 1986 году.