En 1690, le chemin qui se trouvait à cet endroit était appelé «chemin des Marais». En 1734, il ne comportait encore aucune construction. En 1750, il était devenu «rue du Chemin-Vert» et, en 1775, «rue Verte» ou «Grande-Rue-Verte», pour la distinguer de la «Petite-Rue-Verte» (voir «Avenue Matignon»)[1]. Par ordonnance royale du , elle prit le nom de «rue de Penthièvre».
Une décision ministérielle du 1ermessidoran XII fixa la largeur de la rue à 10 mètres, portée à 12 mètres en vertu d'une ordonnance royale du .
Un arrêté préfectoral du prescrivit la régularisation du numérotage de la Grande-Rue-Verte.
No2: Willem Holleeder (1958-), gangster néerlandais, co-auteur de l'enlèvement du PDG de Heineken, 1983-1984 y a habité.
No19: Henry Dunant (1828-1910), fondateur de la Croix-Rouge, a vécu dans cet immeuble de 1872 à 1873 (plaque commémorative).
No26: maison dite de Franklin (1775). Lucien Bonaparte habita à cette adresse, au fond du jardin, un petit hôtel dont le marquis de Rochegude signale en 1910 qu'il «a conservé un curieux cabinet de toilette, décoré d'un plafond à coupole[2]». Dans ses Mémoires, Lucien Bonaparte indique que: «Le 10 [brumaire (1799)] au soir fut fixé par mon frère pour sa première entrevue avec Sieyès. Elle eut lieu en ma présence dans ma maison au coin de la rue Verte: elle ne dura pas une heure. Sieyès et Bonaparte s'embrassèrent[3].» Le célèbre cabaret Le Bœuf sur le toit s'installa à cette adresse en quittant la rue Boissy-d'Anglas où il avait été fondé. La maison était alors déjà vouée à la démolition. Ce deuxième Bœuf sur le toit ouvrit ses portes le et dura jusqu'en 1934.
Angle no28 et 1, avenue Delcassé: anciennement l'une des dix casernes construites en 1780 grâce à l'influence du maréchal de Biron pour loger les Gardes françaises, auparavant casernées chez l'habitant. La caserne Penthièvre, également appelée «caserne de la grande rue Verte», fut affectée au logement de trois compagnies de Gardes françaises, puis affectée à l'infanterie. Reconstruite au XXesiècle, elle est aujourd'hui affectée à la Garde républicaine.
Hôtel du général-baron Nicolas-François de Bachmann-Anderletz (1740-1831), officier suisse au service de la France, qui émigra après la journée du 10 août 1792 (côté des numéros pairs)[4].
Hôtel de Souza (no6 ancien): après son remariage avec le marquis de Souza en 1802, Adélaïde de Souza (1761-1836), s'y installa durant l'été 1805. C'est là que fut élevé Charles de Morny (1811-1865), fils naturel de Charles de Flahaut (1785-1870), lui-même fils naturel de Mme de Souza. C'était «un hôtel d'assez belle apparence […] Cette maison assez grande, agrémentée d'un jardin ombragé environné de roses, permettait de loger les enfants respectifs des deux époux, quand ils étaient de passage. Ils y menèrent grand train et Mme de Souza rouvrit son salon. Charles de Flahaut y passa tout l'été 1814[6]».