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.
Thorvaldsenskolen åbnede i 1869 i villaen på Thorvaldsensvej 24. 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.
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.
.