Comme le montre la publication de Jean-Yves Veillard, l´escalier est construit pour l'aménagement de la promenade de la Motte, conçu en 1829, sur les plans de l'architecte Charles Millardet, publiés dans le recueil de Gourlier. Les travaux débutent l'année suivante et sont achevés en 1832.

L'architecte conçoit un système de deux escaliers, l'un de forme semi-circulaire à degrés concaves, divisé en trois par des fontaines à degrés, le second à volées droites parallèles séparées par une seconde fontaine (grande fontaine à double vasque et degrés). Des statues devaient orner la partie haute de l´escalier. Un projet concurrent, dessiné par l'architecte Louis Richelot, en 1827, est conservé aux archives communales (doc. 1). L'escalier à deux volées, ceinturant une rotonde formant terrasse ornée d'un obélisque, adopte une forme semi-circulaire convexe. Le projet monumental et coûteux du maire de Lorgeril est vivement critiqué par Marteville (annexe 1).

En 1899, avec l'extension du Parc du Thabor sur les terrains des Catherinettes acquis par la ville et sous la pression des habitants du quartier qui souhaitent un accès direct au parc, un nouvel accès est ouvert, rue de Paris.

L'escalier est déplacé en 1901, pour être remonté au niveau de ce nouvel accès, face à la rue de Viarmes.

L'escalier fontaine ne voit l'eau y couler que très épisodiquement, en raison du coût de fonctionnement lié à l'importante consommation d'eau (fonctionnement initial en eau perdue). Pour remédier à cette situation, la Ville de Rennes décide en 1984 d'étudier un recyclage de l'eau à partir de la grande cascade des Catherinettes, puis en 1987 à partir des bassins de la partie française. En 1993, un système de recyclage en circuit fermé des fontaines est mis au point (avec la pose de canalisations dédiées et d'importants travaux de maçonnerie) et permet aux cinq bouches de la fontaine du grand escalier de fonctionner à nouveau.

Depuis 2004, la fontaine de l'escalier est remise hors d'eau.