Вулиця виникла у 30-40-х роках XIX століття під назвою Еспланадна (від розташованої поряд еспланади Нової Печерської фортеці). У 1869 році отримала назву Виноградна (рос.Виноградная)[2] (від насадженого тут у XVIII столітті виноградного саду). Таку ж назву у різний час мали і сусідні вулиця Пилипа Орлика і Липський провулок. Нині поряд з вулицею Академіка Богомольця існує Виноградний провулок. Під час німецької окупації міста у 1942–1943 роках — Варегерштрасе (нім.Warager Str., укр.Варязька) та Виноградна.[3]
Сучасну назву вулиця отримала у 1946 році[4], на честь українського вченого-фізіолога Олександра Богомольця. В Рішенні від 12.11.1946 року — вулиця імені Академіка Богомольця. В Довідниках 1958 та 1967 року — вулиця Богомольця.
Меморіальна таблиця на честь академіка Олександра Богомольця на будинку № 2, де він мешкав. Відкрита у 1947 році.
Меморіальна таблиця на честь академіка Олександра Богомольця на будинку Інституту фізіології (№ 4), де він працював у 1932—1946 роках. Відкрита 1 червня1981 року; бронза, барельєф; скульптор Іван Гончар, архітектор Яків Ковбаса;
Анотаційна таблиця на честь академіка Олександра Богомольця, чиїм ім'ям названо вулицю. Встановлена на будинку № 2, виготовлена з граніту (архітектор Валентина Шевченко), відкрита 9 грудня1965 року. Аналогічну таблицю було встановлено на будинку № 12, але втрачено під час реконструкції будівлі.
Між будинками № 2 і № 4 розташований меморіальний сквер імені О. О. Богомольця, в якому той був похований. Пам'ятник на могилі вченого встановлений 1946 року, скульптор Лев Муравін.
У приміщенні Інституту фізіології у 1947 році був створений меморіальний музей Олександра Богомольця (відкритий для відвідувачів 1 червня1981 року). Музей складається з робочої лабораторії, приймальні та кабінету. У 2010 році там же був створений музей академіка Платона Костюка
Скульптурна композиція «Місце зустрічі змінити не можна». Являє собою фігури відомих кінематографічних героїв однойменного фільму — Гліба Жеглова та Володимира Шарапова. Встановлений 14 квітня2009 року на честь 90-річчя заснування карного розшуку в Україні, поблизу будівлі Міністерства внутрішніх справ України. Скульптори — Володимир і Олексій Чепелики, архітектор — Борис Писаренко.