L'avenue de Wagram tire son nom de l'une des plus éclatantes victoires napoléoniennes : le 6 juillet 1809, les armées françaises écrasent les Autrichiens à Wagram, à une vingtaine de kilomètres de Vienne. Le voisinage de l'Arc de Triomphe de l'Étoile — monument aux armées impériales par excellence — rendait ce baptême presque inévitable. La dénomination est pourtant tardive : c'est seulement par décret du 2 mars 1864 que l'avenue reçoit son nom, sous le Second Empire. Auparavant, le tronçon côté pair entre l'Étoile et la place des Ternes s'appelait boulevard de l'Étoile, héritier d'une voie ouverte dès 1789. Le reste de l'avenue, entre la rue de Tilsitt et le faubourg Saint-Honoré, suivit une ordonnance du bureau des Finances de cette même année ; puis le Second Empire prolongea et unifia le tout par le décret d'ouverture d'août 1854, creusant ses 1 500 mètres et ses 36 mètres de large dans le tissu haussmannien du 8e et du 17e arrondissements.
Le n° 34 porte l'une des façades Art nouveau les plus remarquables de Paris, œuvre de Jules Lavirotte et Alexandre Bigot (1899-1901) — céramiques, ferronneries et formes végétales qui tranchent sur la pierre haussmannienne voisine. Mais c'est surtout le n° 37, la salle Wagram, qui concentre la mémoire vive de l'avenue. Grande salle de réunion et de spectacle, elle est dès 1871 le lieu de rassemblement des francs-maçons espérant peser sur les négociations entre la Commune et Thiers. Puis elle devient un carrefour de l'histoire sociale et politique internationale : en 1900, elle accueille simultanément le Congrès international des droits de la femme et le congrès qui voit la scission du Parti Ouvrier de Jules Guesde ; en 1910, Véra Figner y organise un concert où Maxime Gorki est présent — Lénine, selon la légende, préfère éviter la rencontre pour ne pas froisser son ami. En 1912, on y célèbre le centenaire d'Alexandre Herzen, père du socialisme russe. La salle cristallise aussi les tensions de l'affaire Dreyfus dès 1898, quand dreyfusards et antidreyfusards s'y affrontent physiquement.
L'Occupation transforme l'avenue en théâtre de la collaboration et de la résistance clandestine. Au n° 37, la salle Wagram abrite en 1942 l'exposition nazie Le Bolchevisme contre l'Europe ; un attentat à l'explosif des FTP-MOI échoue, ses auteurs sont arrêtés, torturés et exécutés. Au n° 41, un théâtre réservé aux soldats allemands est grenadi par des combattants FTP-MOI en 1943. Au n° 78, Léo Grossvogel, agent du réseau Orchestre Rouge, se cache chez un contact avant d'être livré aux nazis. La Libération venue, la salle Wagram retrouve ses vocations militantes : meetings anticoloniaux, soutien au Viêt-minh, rassemblements du MTLD algérien s'y succèdent dans les années 1950.
L'avenue a aussi ses adresses de vie intime. Arthur Conan Doyle séjourne au n° 65 en 1876 chez un oncle, bien avant de créer Sherlock Holmes. Le peintre Odilon Redon meurt au n° 129 en 1916. Plus tôt, le n° 1-2 avait été le théâtre d'un exploit aéronautique : en 1852, Henri Giffard s'élève à bord du premier ballon dirigeable à vapeur, parcourt 27 kilomètres et atterrit à Élancourt — un vol modeste, mais fondateur de l'aviation dirigée.