Jest to jedna z arterii wylotowych i najdłuższych ulic Warszawy. Wraz z pobliskimi terenami Olszynki i Wawra odegrała szczególną rolę w pierwszej fazie powstania listopadowego. Rozegrały się tu trzy wielkie bitwy: dwie pod Wawrem (19/20 lutego i 30 marca) i pod Olszynką Grochowską – 26 lutego.

Przy Grochowskiej znajdowały się karczmy, dworki klasycystyczne, a przez pewien czas cmentarz starowierców. Pod koniec XIX w. zabudowana została niewielkimi kamieniczkami i domami. Powstał Instytut Weterynaryjny, przy którym mieściło się targowisko końskie i bydlęce.

W dwudziestoleciu międzywojennym wybudowano kilka fabryk i kilkadziesiąt domów mieszkalnych. Na przełomie lat 20 i 30 XX w. wzniesiono wotywny kościół MB Zwycięskiej i rozpoczęto budowę kościoła pw. Najczystszego Serca Maryi na Placu Szembeka. W czasie II wojny światowej zniszczona została zabudowa Grochowskiej w okolicach ulicy Międzynarodowej.

W 1953 r. zdjęto tory i zlikwidowano kolejkę wąskotorową (przeprowadzoną w 1900 r.). W ciągu kolejnych lat ulicę przebudowano, przenosząc tory tramwajowe, poszerzając jezdnię oraz zakładając dwa niewielkie parki.