En 1720, un chemin préexistant à la rue, est nommé « chemin des trous de terre »[1].
Cette rue a été ouverte en deux phases : l'impasse Croulebarbe, située sur la commune de Gentilly, est incorporée à Paris en 1863. Cette même année, elle est absorbée par l'ouverture de la ruelle Barrault, entre le boulevard d'Italie et la rue de la Providence, puis elle est alignée et nivelée en 1876.
Télécom Paris (anciennement École nationale supérieure des télécommunications), fondée en 1878, a occupé ses locaux au no 46 de la rue Barrault de 1934 à 2019, avant son déménagement sur le plateau de Saclay.
Les éditions Le Dilettante ont été fondées en 1972 dans la librairie homonyme installée dans la rue.
No 1 : ancienne mégisserie (les lattes de bois mobiles pour le séchage des peaux ont été supprimées)[3].
No 7 : passage Barrault, passage pavé en pente, bordé de maisons de ville et de pavillons avec jardinets.
No 22 : ensemble immobilier de la Petite Russie, datant de 1912.
No 67 : résidence Barrault-Colonie par Roger Anger & Pierre Puccinelli. Sa volumétrie en façade et son côté précurseur en font un bâtiment architectural d'exception[4].
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