La rue des Martyrs doit son nom à la destination qu'elle pointe : Montmartre, dont l'étymologie populaire — et tenace — fait le « mont des Martyrs », lieu supposé du supplice de saint Denis et de ses compagnons. Bien avant de porter ce nom, la voie s'appelait rue du Champ de Repos, et une partie haute répondait au nom de chaussée des Martyrs jusqu'à l'arrêté préfectoral du 2 avril 1868 qui uniformisa l'appellation sur tout son tracé. À son extrémité basse, aux numéros 1-2, se dressait encore au XVIIIe siècle un poste d'octroi marquant l'entrée du vieux quartier des Porcherons.
La rue est déjà un carrefour d'histoires avant la Révolution. C'est au n° 59 que Chrétien Guillaume de Lamoignon de Malesherbes, censeur de la bibliothèque royale, cache les manuscrits de Diderot pour les soustraire à la police — geste fondateur des Lumières joué dans l'intimité d'un appartement bourgeois. En 1787, le pasteur Rabaut-Saint-Étienne vient le relancer dans ce même logis pour obtenir la légalisation des protestants. Sous la Restauration, la rue se transforme en repaire d'opposants : Jacques-Antoine Manuel, le député libéral expulsé de la Chambre pour avoir refusé les crédits de l'expédition d'Espagne, y habite et y meurt au n° 19 en 1827 ; son ami Pierre-Jean de Béranger, chansonnier bonapartiste et bête noire des ultras, loge au n° 27. Le peintre Théodore Géricault, auteur du Radeau de la Méduse, avait son atelier au n° 23 et y rend l'âme en 1824.
La rue des Martyrs traverse ensuite les soubresauts du siècle en gardant ce tempérament frondeur. En 1848, un club révolutionnaire s'ouvre au n° 79 — futur siège du Club républicain de Montmartre. Sous le Second Empire, le n° 22 sert de salle de réunion aux blanquistes, tandis qu'au n° 8 officie Allan Kardec, père du spiritisme français, et que la brasserie des n° 7-9 rassemble la bohème artistique du quartier. La Commune laisse ses traces : Jean-Baptiste Millière, député franc-maçon du n° 37, sera fusillé par les Versaillais sur les marches du Panthéon ; un autre habitant se cache au n° 47 pendant la Semaine sanglante avant de fuir vers Saint-Pétersbourg.
La Belle Époque donne à la rue ses lettres de noblesse populaires. Au n° 75, le Divan Japonais — dont Toulouse-Lautrec immortalise l'affiche — voit débuter Yvette Guilbert avant de se transformer, sous la direction de l'ex-communard Maxime Lisbonne, en scène du sulfureux Coucher d'Yvette (1894). C'est aussi là, en 1918, qu'ouvre l'une des toutes premières boîtes de jazz de Paris, tenue par un Américain noir. La jeune Mistinguett fait ses débuts comiques aux n° 7-9 dès 1896. Au n° 65, une galerie attire Pablo Picasso et ses amis espagnols fraîchement débarqués. Tout en haut, au n° 77, la maison de retraite où finira ses jours Céleste Mogador, la danseuse-romancière, résume à elle seule les vertiges d'une rue qui a vu passer philosophes, révolutionnaires, peintres et music-hall.