Vejen er opkaldt efter billedhuggeren Bertel Thorvaldsen (1770-1844). Den ligger i et kvarter, hvor flere veje har navne efter 1800-tallets kunstnere, f.eks. Hostrupsvej.
Thorvaldsensvej er anlagt i begyndelsen af 1850’erne i forbindelse med udstykningen af jord, som tilhørte Frederik Christopher Bülows efter hvem Bülowsvej er opkaldt.
Her blev fra starten opført enkelte villaer, f.eks. Thorvaldsens Minde på hjørnet af Harsdorffsvej.
På Thorvaldsensvej 18 (ejendommen herover) boede maleren Niels Larsen Stevns (1864-1941) i mere end 25 år. Her havde han sit atelier og en mindeplade for ham blev opsat på bygningen i 2022.
Stevns malede i 1914 udsigten mod den lille sidegade til Thorvaldsensvej, som går ned mod Bomhoffs Have (herunder).
Den lille sidegade er formentlig anlagt omkring 1910.
Thorvaldsenskolen åbnede i 1869 i villaen på Thorvaldsensvej 24 (herunder).
I 1924 blev der opført en større skolebygning ved siden af, der var tegnet af arkitekten Niels Hauberg.
Denne bygning er nedrevet og afløst af Skolen ved Bülowsvej, som er opført i 2009 og tegnet af CEBRA Architechture (herunder).
På Thorvaldsensvej 57 blev i 1857 oprettet den private institution Dansk Markfrøkontrol.
Fra 1891 blev den overtaget af Staten og flyttede til en ny bygning ved Dyrlægevej.
.