Longue de plus de deux kilomètres, la rue de Courcelles tire son nom du hameau de Courcelles auquel elle conduisait autrefois — un bourg villageois au nord-ouest de Paris, aujourd'hui absorbé dans le tissu urbain. La voie a porté plusieurs identités successives : chemin de Courcelles, puis rue de Villiers sur son tronçon septentrional, et rue de Chartres du Roule au sud, avant que l'arrêté du 17 mai 1854 ne réunisse ces fragments épars sous un nom unique. Les prolongements vers Levallois-Perret ne seront officiellement intégrés qu'en 1929 et 1931, donnant à la rue sa physionomie définitive.
Son histoire politique commence dès l'Ancien Régime : à son extrémité méridionale s'élevait un poste d'octroi, remplacé entre 1765 et 1786 par la barrière de Courcelles, l'une de ces portes fiscales que Paris dressait à ses entrées. En février 1848, la proclamation du droit au travail entraîne la création des Ateliers nationaux, dont l'état-major établit son club au n° 94 ; c'est là que le ministre Ulysse Trélat vient annoncer, le 29 mai, la disgrâce de leur directeur Émile Thomas. Quelques jours plus tôt, la barrière avait été incendiée par les insurgés. En mai 1871, la rue devient un haut lieu de la répression versaillaise : le n° 62 abrite le QG du général Clinchant pendant la Semaine sanglante, et c'est là que Lacretelle ordonne les premières exécutions en masse de communards.
Mais la rue de Courcelles est aussi une adresse littéraire de premier ordre. Augustin Thierry y réside en 1845, Charles Dickens en 1846. La princesse Mathilde y tient un premier salon sous le Second Empire. À l'orée du XXe siècle, le n° 45 voit Marcel Proust vivre avec ses parents, puis seul avec sa mère — appartement dont il fera le modèle de l'hôtel de Guermantes. Presque en face, Colette et son mari Willy occupent successivement deux adresses (n° 93, puis 177 bis) où elle entame la rédaction des Claudine. Yvette Guilbert, diseuse de génie chère à Toulouse-Lautrec, s'installe au n° 52 en 1902 ; le compositeur Camille Saint-Saëns demeurera au n° 83 bis de 1910 à 1921 ; l'écrivain pacifiste Henri Barbusse occupera le n° 105 pendant plus de vingt ans. Plus sombrement, la rue garde les traces de la Seconde Guerre mondiale : le n° 14 servit de cache d'armes aux FTP-MOI, gérée par Olga Bancic.