W jej ciągu powstała w 1784 z woli króla wzorcowa osada, Nowa Wieś, od której pochodzi nazwa ulicy.
Nowo powstała ulica miała stanowić oś wielkiego założenia placów gwiaździstych wchodzących w skład Osi Stanisławowskiej. Dwa z nich nadal znajdują się w ciągu ulicy (place Politechniki i Zbawiciela). Trzeci, plac Na Rozdrożu, znajduje się poza ulicą Nowowiejską, której historyczny fragment nosi współcześnie nazwę alei Wyzwolenia.
W II połowie XIX wieku po północnej stronie zachodniego odcinka ulicy (pomiędzy ulicami Topolową i Suchą, współcześnie al. Niepodległości i Krzywickiego) zbudowano baraki zwane jerozolimskimi, wykorzystywanymi później jako koszary artylerii.
W latach 80. XIX w. tereny wokół zachodniej części ulicy zostały zagospodarowane na siedzibę Stacji Filtrów. Ulicą poprowadzono linię tramwaju elektrycznego. Na przełomie wieków ulica wypełniła się zabudową o charakterze wielkomiejskim w swojej wschodniej i środkowej części, nieco bardziej kameralnym w zachodniej. W sąsiedztwie jej środkowego biegu w latach 1899–1902 powstawać zaczął zespół budynków Politechniki Warszawskiej.
W latach 1922–1926 po południowej stronie zachodniego odcinka ulicy zbudowano Kolonię Staszica.