Do lat 70. XX w. ul. Wielka i ul. Przestrzenna tworzyły jedną długą ulicę od pl. Hirszfelda od ul. Wapiennej. Założył ją w 1871 r. graf Pinto i od jego imienia nazwano ulicę Pintostr. Obok niej występowała też nazwa Hugostr. od właściciela pracowni rzeźbiarskiej i kamieniarza Hugo Laubego. Wktótce po wytyczeniu ulicy, jej założyciel sprzedał parcele bankowi Friedentahl & Co., następnie przejął je Wrocławski Bank Budowlany, by na koniec trafić w ręce Wrocławskiego Towarzystwa Akcyjnego Nieruchomości. Ciągłe zmiany właścicieli spowodowały, że dopiero w 1887 r. zakończono budowę ulicy. Wtedy też zmieniono nazwę na Goethestr.

W czasie wojny zniszczono niemal całą zabudowę ulicy, zwłaszcza w jej zachodnim odcinku. Po wojnie, do 20 grudnia 1974 r. ulicę nazywano ul. Wielką. Wtedy podzielono ją, tworząc w środkowym odcinku wysypisko gruzu (Wzgórze Andersa). Odcinek od ul. Powstańców Śląskich do ul. Ślężnej pozostał ul. Wielką, zaś od ul. Borowskiej na wschód nazwano ul. Przestrzenną.

Pierwsze plany wytyczenia ulicy powstały w latach 70. XIX w. Do ich realizacji doszło już w dziesięć lat później. Nowa ulica biegła wtedy od ul. Powstańców Śląskich do pl. Hirszfelda. Przedłużenie do ul. Gajowickiej nastąpiło w pierwszych latach XX wieku. Kolejne wydłużenie ulicy nastąpiło w latach 20. XX w. co związane było z dalszym rozwojem miasta w kierunku południowym oraz budową osiedla Eichborngarten na Grabiszynie. Najpóźniej wybudowano odcinek między ulicami Gajowicką i Wróblą. Od początku istnienia ulicy jej patronką była córka cesarza Fryderyka III, Charlotte (1860-1919).

W czasie wojny najbardziej ucierpiała najstarsza część ulicy, zabudowana głównie dużymi i bogatymi kamienicami. Po wojnie przez trzy lata ulica nie miała polskiej nazwy, którą wprowadzono dopiero w marcu 1948 roku. Odbudowa ulicy przypada na lata 60. XX w. Wtedy też uchwałą MRN z 22 XII 1965 r. dokonano likwidacji znacznej części najstarszego odcinka ulicy od ul. Powstańców Śląskich do ul. Gwiaździstej.