Tracée au flanc de la butte Montmartre selon un décret de 1910, l'avenue doit son nom au général Andoche Junot (1771–1813), duc d'Abrantès, compagnon d'armes de Napoléon. D'abord baptisée rue Junot, elle ne prend le titre d'avenue qu'avec son prolongement définitif, amorcé par un second décret de novembre 1912 : les travaux ouvrent alors en pleine colline une artère rectiligne de 450 mètres et 20 mètres de large, là où ne s'étendait jusque-là qu'un paysage de terrains vagues, de carrières abandonnées et de jardins ouvriers connus sous le nom de Maquis de Montmartre. Ce débroussaillage urbain tardif explique l'homogénéité étonnante de l'avenue : ses immeubles sont presque tous construits dans les années 1920–1930, ce qui en fait une vitrine involontaire de l'architecture de l'entre-deux-guerres.
Au n° 15 s'élève la villa Tzara, commandée en 1926 par le fondateur du mouvement Dada, Tristan Tzara, à l'architecte viennois Adolf Loos — l'une des rares œuvres parisiennes de ce maître du dépouillement. À quelques numéros de là, au n° 11, Suzanne Valadon installe son atelier et y demeure jusqu'à sa mort en 1938 : peintre puissante, ancienne modèle de Renoir et Toulouse-Lautrec, elle fait de l'avenue Junot l'un des derniers foyers vivants de la bohème montmartroise. En 1941, le n° 37 sert de décor au film « L'Assassin habite au 21 » d'Henri-Georges Clouzot, tandis qu'au n° 41, la chanteuse Lucienne Boyer tient un cabaret — dont la réputation sera ternie par une pancarte infâme apposée durant l'Occupation.
Sous l'asphalte, le passé affleure encore. Des vestiges d'une possible villa gallo-romaine ont été mis au jour au n° 10–12 lors des travaux de 1914. Plus haut sur la butte, aux n° 11–13, l'emplacement remonte à l'histoire du Moulin Vieux du Palais, ancêtre lointain du célèbre Moulin de la Galette. Depuis 1995, une série de disques de bronze jalonnant l'avenue rappellent le passage du méridien de Paris — 135 plots au total sur la ligne dite Arago, courant du nord au sud à travers la capitale. Et au n° 17, le boulodrome sauvegardé de haute lutte par les boulistes du CLAP préserve, lui, un dernier souffle du Maquis d'antan.