Selon Banéat, le chemin conduisant à Vitré est attesté au 11e siècle.
Dans sa partie occidentale (actuelle rue Jean-Baptiste-Martenot), la voie prend le nom de chemin de Bel-Air au 17e siècle, évoquant une maison de plaisance du même nom, située à l´emplacement de l´ancien couvent du Bon-Pasteur. En 1906, le conseil municipal décide de lui donner le nom de l'architecte de la ville Jean-Baptiste Martenot, récemment disparu, sur la proposition de l´architecte Henri Mellet.
Le repavage et la construction de trottoirs sont exécutés, en 1828, par les entrepreneurs Jouanin et Le Breton, sous la direction de l´architecte Richard.
La démolition de la Petite-Motte, dont l´architecte Louis Richelot est adjudicataire, en 1827, doit permettre le percement de la rue Charles X (actuelle rue Victor-Hugo) ; elle donne lieu à un plan d´alignement de la route de Paris, dressé la même année, qui sera rectifié en 1846, au niveau de sa jonction avec la rue Victor-Hugo et autour de la promenade de la Motte, puis en 1879, au moment de l´agrandissement de la préfecture. La présence de l´ancienne fabrique de toiles Le Bouscher de Villegaudin (actuellement 12 rue Martenot) retardera la rectification de l´alignement de la rue finalement achevé en 1845, après l´intervention de Richelot qui rachète la propriété aux héritiers.
La voie est dotée d´un égout en 1873, puis de nouveaux trottoirs et caniveaux, construits par l´entrepreneur angevin Philippe Girard, en 1916.
Entre la rue de Viarmes et l´actuelle rue de Châteaudun, la voie est nommée rue Hüe jusqu'en 1792. Selon Banéat, elle était fermée par deux barrières, l'une au niveau de la maison de la Meslonnière dès 1471, l'autre au niveau de la rue de Châteaudun, défendue par une tour en 1614. Banéat mentionne également la présence d´une croix, dite Croix-Rouge (1581) ou encore Croix-Chenet (1593) qu´il situe au niveau du n°42. La rectification de la voie, achevée en 1873, entraîne la destruction de plusieurs maisons, au niveau du carrefour avec le boulevard de la Duchesse-Anne et la rue de Châteaudun. Le gaz est installé en 1910.
Au-delà du boulevard de Strasbourg, la voie prend le nom d'avenue du Général-Leclerc en 1949.