En 1690, le chemin qui se trouvait à cet endroit était appelé « chemin des Marais ». En 1734, il ne comportait encore aucune construction. En 1750, il était devenu « rue du Chemin-Vert » et, en 1775, « rue Verte » ou « Grande-Rue-Verte », pour la distinguer de la « Petite-Rue-Verte » (voir « Avenue Matignon »)[1]. Par ordonnance royale du , elle prit le nom de « rue de Penthièvre ».
Une décision ministérielle du 1er messidoran XII fixa la largeur de la rue à 10 mètres, portée à 12 mètres en vertu d'une ordonnance royale du .
Un arrêté préfectoral du prescrivit la régularisation du numérotage de la Grande-Rue-Verte.
Bâtiments remarquables et lieux de mémoire
No 2 : Willem Holleeder (1958-), gangster néerlandais, co-auteur de l'enlèvement du PDG de Heineken, 1983-1984 y a habité.
No 19 : Henry Dunant (1828-1910), fondateur de la Croix-Rouge, a vécu dans cet immeuble de 1872 à 1873 (plaque commémorative).
No 26 : maison dite de Franklin (1775). Lucien Bonaparte habita à cette adresse, au fond du jardin, un petit hôtel dont le marquis de Rochegude signale en 1910 qu'il « a conservé un curieux cabinet de toilette, décoré d'un plafond à coupole[2] ». Dans ses Mémoires, Lucien Bonaparte indique que : « Le 10 [brumaire (1799)] au soir fut fixé par mon frère pour sa première entrevue avec Sieyès. Elle eut lieu en ma présence dans ma maison au coin de la rue Verte : elle ne dura pas une heure. Sieyès et Bonaparte s'embrassèrent[3]. » Le célèbre cabaret Le Bœuf sur le toit s'installa à cette adresse en quittant la rue Boissy-d'Anglas où il avait été fondé. La maison était alors déjà vouée à la démolition. Ce deuxième Bœuf sur le toit ouvrit ses portes le et dura jusqu'en 1934.
Angle no 28 et 1, avenue Delcassé : anciennement l'une des dix casernes construites en 1780 grâce à l'influence du maréchal de Biron pour loger les Gardes françaises, auparavant casernées chez l'habitant. La caserne Penthièvre, également appelée « caserne de la grande rue Verte », fut affectée au logement de trois compagnies de Gardes françaises, puis affectée à l'infanterie. Reconstruite au XXe siècle, elle est aujourd'hui affectée à la Garde républicaine.
No 30 : Jacques Tati (1907-1982), cinéaste, y demeure jusqu'en 1958 ; une plaque commémorative lui rend hommage. L'architecte Paul Louis Joseph Hulot, grand-père parternel de Nicolas Hulot, lui a inspiré le personnage de Monsieur Hulot.
Hôtel du général-baron Nicolas-François de Bachmann-Anderletz (1740-1831), officier suisse au service de la France, qui émigra après la journée du 10 août 1792 (côté des numéros pairs)[4].
Hôtel de Souza (no 6 ancien) : après son remariage avec le marquis de Souza en 1802, Adélaïde de Souza (1761-1836), s'y installa durant l'été 1805. C'est là que fut élevé Charles de Morny (1811-1865), fils naturel de Charles de Flahaut (1785-1870), lui-même fils naturel de Mme de Souza. C'était « un hôtel d'assez belle apparence […] Cette maison assez grande, agrémentée d'un jardin ombragé environné de roses, permettait de loger les enfants respectifs des deux époux, quand ils étaient de passage. Ils y menèrent grand train et Mme de Souza rouvrit son salon. Charles de Flahaut y passa tout l'été 1814[6] ».