La rue Charlot tient son nom d'un bourgeois du XVIIe siècle, Claude Charlot, qui fit bâtir plusieurs maisons sur ce tracé alors que le Marais était au faîte de sa splendeur aristocratique. La partie septentrionale — entre les rues des Quatre Fils et Béranger — est ouverte dès 1626 ; l'autre tronçon, jusqu'au boulevard du Temple, ne suit qu'en 1694. Avant d'être réunies sous ce nom unique par décision ministérielle du 18 février 1851, les deux sections portaient les noms de rue d'Orléans au Marais et rue d'Angoumois, témoins d'une géographie politique désormais oubliée.
Sous ses pavés sommeillent des strates bien plus anciennes. Au n° 73, des vestiges signalent une tour de l'enceinte du prieuré du Temple (1240), et au n° 79, le tracé du mur de Charles V traverse la rue — ce même souverain qui, avec Étienne Marcel, avait redessiné le visage défensif de Paris au XIVe siècle. Plus au nord, l'entrée de l'hôpital des Enfants Rouges (n° 83), fondé en 1534 pour les orphelins de la ville, dont les murs de la chapelle affleurent encore dans la cour du 90, rappelle que ce quartier fut longtemps une terre de charité et d'enfance abandonnée. Quant au marché des Enfants Rouges (n° 33 bis), ouvert dès 1628, il est aujourd'hui le plus vieux marché couvert de Paris encore en activité.
La rue a fréquenté la grandeur et le drame avec une égale familiarité. En 1654, c'est au n° 58, à l'hôtel d'Arpajon, qu'une poutre tombe — accident peut-être provoqué — sur la tête de Cyrano de Bergerac, lui infligeant la blessure qui lui sera fatale. En 1679, Paul de Gondi, cardinal de Retz, ce prêtre frondeur qui faillit renverser Mazarin, y rend l'âme au n° 5. La Révolution laisse ses cicatrices : au n° 10 habitait Charles Éléonor Dufriche-Valazé, girondin qui se poignarda pendant le procès de ses amis ; aux n° 3 et 5, deux habitants guillotinés le 11 Thermidor an II. Plus tard, Catherine-Dominique de Pérignon, maréchal d'Empire reconverti en gouverneur de Paris sous la Restauration, y réside de 1815 à 1818, et le peintre animalier Constant Troyon y naît en 1817. Au n° 6, l'église paroissiale abrite un orgue Cavaillé-Coll de 1844, dont César Franck sera titulaire — détail qui transforme cette artère tranquille en haut lieu de la musique sacrée parisienne.