По некоторым сведениям, дорога на Тверь существовала здесь уже в XII веке. С конца XV века эта дорога также связывала Москву и Новгород. Выходцы из этих городов основали на Тверской улице свою слободу. Застройка Тверской улицы шла от центра до крепостной стены Белого города (современное Бульварное кольцо). После расширения Москвы в конце XVI века улица была продлена до вала Земляного города (современное Садовое кольцо).
До этого между современными Пушкинской и Триумфальной площадями у Тверской дороги располагались поля и посёлок кремлёвских «воротников» (стражей у ворот). В XIV и XV веках улица шла к мосту через реку Неглинную, находившемуся напротив современной Средней Арсенальной башни Кремля.
В 1595 году через реку Неглинную был построен каменный Воскресенский мост, соединивший Тверскую улицу с Красной площадью. В XVI веке на Тверской улице начинают появляться дворы знати, церкви и монастыри. Слободские дворы постепенно вытесняются — лишь между современными Столешниковым переулком и Пушкинской площадью остаётся Новгородская слобода.
В XVIII—XIX веках Тверская улица была главной улицей города. Здесь строились лучшие в Москве дома, гостиницы, магазины. Среди шедевров архитектурного творчества можно назвать несохранившийся дворец князя М. П. Гагарина с аквариумными потолками (1707-08), Английский клуб (1780-е) и Елисеевский магазин (1770-е, перестроен в 1790-х и 1898 году).
Во времена Российской империи важность Тверской улицы состояла в том, что именно по ней цари въезжали в Кремль, приезжая в Москву из Санкт-Петербурга. По случаю церемоний коронации здесь были установлены несколько триумфальных ворот.
На Тверской была проложена первая в Москве линия конно-железной городской дороги, в просторечии — «конки», которая начиналась на Страстной (ныне Пушкинской) площади и шла в направлении от центра.
В 1876 году, когда Московская городская дума ассигновала 50 тысяч рублей на проведение эксперимента по устройству асфальтобетонного покрытия, на Тверской впервые в Москве построили несколько участков из нового материала. До конца XIX века улица постоянно перестраивалась, сочетая в себе разные исторические стили. Ту эпоху характеризует большое здание гостиницы «Националь» (1901), одной из самых престижных в Москве.
Принятый в 1935 году Генеральный план реконструкции Москвы предусматривал коренное преобразование улицы Горького, фактически — отстройку улицы заново. Отражённое в Генплане градостроительное решение предполагало провести расширение начального участка улицы за счёт правой (чётной) стороны, от Газетного переулка и проезда Художественного театра переулков сносилась застройка по обеим сторонам, на отрезке от Советской до Пушкинской площади расширение шло за счёт нечётной стороны. Подобное решение позволяло сохранить некоторые ценные здания и существенно расширить ширину улицы — до 40 метров в районе Пушкинской площади и до 56 метров в начальной части магистрали. Для этого было принято решение снести часть исторических зданий, а наиболее ценные перенести в кварталы. В ходе реконструкции были перемещены здания Саввинского подворья, Моссовета, Московской глазной больницы и ряд других.
Сейчас Тверская — одна из наиболее дорогих торговых улиц не только в Москве, но и в России. В 2013 году стоимость аренды торговых помещений на улице достигла 4,5 тысяч долларов за 1 м² в год. В среднем аренда дороже только в Столешниковом переулке. По информации газеты «Ведомости», крупнейшим владельцем коммерческой недвижимости на Тверской является предприниматель Михаил Гуцериев. Тверская также является центром ночной жизни и развлечений.