Проспект проходит на 10,5 километров вдоль Пулковского меридиана. Исторически магистраль формировалась как часть почтового тракта, соединявшего Санкт-Петербург с Новгородом, Тверью и Москвой. Проспект проходит от Сенной площади до площади Победы.
Там, где сейчас находятся Московские ворота, находился шлагбаум и сторожевая будка с караульными, где проверяли подорожные документы и взимали сборы. Это место называли "Первая (Ближняя) Рогатка". Вторая, Средняя Рогатка находилась в месте нынешней площади Победы. Третья, Дальняя Рогатка была у подножья Пулковской горы. В 1714 году на Средней Рогатке был построен одноэтажный деревянный путевой дворец для отдыха в дороге. Застройка по сторонам дороги изначально носила усадебный характер.
В 1717 году "посадским человеком" Обуховым был построен первый деревянный мост через Фонтанку, который получил название по фамилии своего строителя - Обуховский мост.
В 1740-х годах территорию к западу от трассы отдали под слободы Измайловского полка. Тогда здесь возникли улицы-линии вдоль которых располагались полковые казармы, их называли "Ротами". Главная дорога этой слободы - Измайловский проспект идущий параллельно Московскому.
В 1744 году вышел сенатский указ о "столблении" Царскосельской дороги. Старые деревянные столбы заменили новыми. На Средней Рогатке был поставлен столб с изображением трёх вытянутых рук, указывающих направление трёх дорог: на Санкт-Петербург, На Царское Село и Москву, на Петергоф и Варшаву. В народе этот столб получил название "Три руки". Среднерогатовский путевой дворец из-за ветхости был разобран, на его месте построили новый, тоже деревянный. Однако через десять лет построили путевой дом по проекту Ф. Б. Растрелли.
В 1785 году деревянный Обуховский мост перестроили, на его месте появился типовой трёхпролётный разводной каменный мост с башнями. В 1787 году на Царскосельской дороге стали заменять деревянные столбы "мраморными верстовыми пирамидами", выполненными по рисунку А. Ринальди. Первая пирамида с солнечными часами была поставлена за Фонтанкой (напротив дома №17 по Московскому проспекту).
На правом берегу Фонтанки западнее дороги находилась усадьба Юсуповых. На левом берегу - усадьба почт-директора Ашева. В 1790-е годы эта усадьба куплена казной и поделена между Академией наук и Российской Академией. Южнее Ашевской усадьбы была усадьба Воронцовых (на месте нынешнего здания Артиллерийского училища) с дворцом, который в 1795 году также приобрела казна для создания Военно-сиротского дома, ранее помещавшегося в Гатчине. В 1774 году в семи верстах от Петербурга по левую сторону от дороги начали строить новый путевой дворец, называвшийся в начале Кикерикексинским (от финск. - лягушачье болото). С 1780 года дворец стал называться Чесменским. По левой стороне дороги у Лиговского канала в конце XVIII века находился егерский двор.
С 1806 года трасса стала называться Царскосельским проспектом. В 1806-1810 годах построен дом №33. В 1808-1809 годах по проекту А. Е. Штауберта построен для военно-сиротского заведения дом №17. В конце 1800-х годов построен дом № 29.
В 1820-е годы начальная часть проспекта стала называться Обуховским, по фамилии подрядчика, строившего мост через Фонтанку в створе этого проспекта. В 1821-1825 годах по проекту И. И. Шарлеманя построен дом №65. Здесь разместилась скотобойня. Сейчас здание занимает молочный комбинат. В 1823 году по проекту А. Д. Готмана построен дом №9. Его занимает Университет Путей Сообщения, так же как и дом №11 (1893-1895, архитектор - А. И. Китнер). В 1828-1831 годах построен комплекс зданий Технологического Института (дом №26). В 1832 году в доме №29 разместилось первое в России строительное училище, с 1882 года ставшее Институтом Гражданских Инженеров. Его выпускниками стали Р. Б. Бернгард, И. С. Китнер, В. А. Косяков, Г. В. Барановский, М. М. Перетяткович, Л. А. Ильин, А. С. Никольский, А. И. Гегелло, А. А. Оль и другие.
К 1835 году было завершено строительство Обводного канала пересекающего Московский проспект. В 1836-1838 годах по проекту В. П. Стасова у городской заставы построены Московские триумфальные ворота. В 1830-х годах появилась выходящая на проспект Малая Митрофаньевская улица, ведущая отсюда к Митрофаньевскому кладбищу, ныне не существующему.
В 1845 году был основан Воскресенский Новодевичий монастырь (дом №100). В 1840-х годах в доме №33 разместилось Вольное Экономическое общество, проводившее работу по развитию сельскохозяйственной науки в России. Среди его членов были Д. И. Менделеев, А. М. Бутлеров, В. В. Докучаев, П. П. Семёнов-Тян-Шанский.
С 1874 года на проспекте заработали столярно-механические мастерские, принадлежавшие предпринимателю Ретшке. Сейчас это вагоностроительный завод им. И. Е. Егорова, выпускающий продукцию для железных дорог и метрополитена. Он занимает дом №115 по Московскому проспекту.
В 1878 году часть от Сенной площади до Рощинской улицы стала называться Забалканским проспектом в память русско-турецкой войны 1877-1878 годов. Рощинская улица служила границей города. Далее начиналось Московское шоссе.
В 1870-х годах участок между "Ротами" Измайловского полка и Обводным каналом принадлежал землевладелице Н. И. Львовой. Здесь она решила построить ряд зданий для последующей выгодной продажи. Проект девяти однотипных зданий разработал Г. Б. Пранг, так возник Угловой переулок (до 1964 года - Софийская улица).
В 1885 году на проспекте разместился городской парк конно-железных дорог. В 1880-х годах по проекту А. И. Рейнбольдта для обувной фабрики "Скороход" построен дом №109. В 1896-1897 годах по проекту А. И. фон Гогена перед домом №19 построен "Красный дом", здесь жил и работал Д. И. Менделеев. Дома № 19 и 21 занимает Институт метрологии имени Д. И. Менделеева.
В 1907 году городской парк конно-железных дорог сменил трамвайный парк. Для его нужд были построены дома №81 и 83. В это же время построен дом №1. В 1900-х годах на углу Московского проспекта и Малой Митрофаньевской улицы по проекту П. Ю. Сюзора построены дома №87 и 89. Они предназначались для детского приюта и школы. В 1910-1911 годах сооружены дома №4 и 6, обрамляющие проезд к торговому центру. До 1917 года здесь находилась так называемая "Вяземская лавра" - ночлежка для бездомных. В советское время здесь располагался Октябрьский рынок. В 1914 году на участке между Московским проспектом, Киевской и Черниговской улицами были построены деревянные продовольственные склады. В 1930-х годах ими дали имя бывшего продкомиссара А. Е. Бадаева, в народе склады стали называться "Бадаевскими".
В 1922 году Забалканский проспект переименовали в Международный. Ротные линии Измайловского полка в 1923 году были переименованы в Красноармейские улицы. В этом же году дом №33 занял "дом Плеханова" - архив и библиотека Г. В. Плеханова. Сейчас здесь расположен филиал Российской Национальной Библиотеки. В 1925 году перед главным корпусом Технологического Института установлен памятник Г. В. Плеханову.
В 1930-1931 годах построен дом №97 - Дворец культуры и техники им. В. П. Капранова. Он был построен по проекту М. С. Рейзмана для рабочих фабрики "Скороход". Дом №129 - здание Московского райсовета, построено в 1930-1935 годах по проекту И. И. Фомина, В. Г. Даугуля и Б. М. Серебровского. На другой стороне проспекта - Дом Культуры им. Ильича, построенный для рабочих завода "Электросила". Здание (дом №152) построено в 1930-1931 годах по проекту Н. Ф. Демкова. В 1932 году перед "Красным домом" установлен памятник Д. И. Менделееву. В 1935 году на стене соседнего дома оформлено панно "Периодическая таблица элементов". Красными знаками на панно оформлены элементы открытые Менделеевым, синие - им предсказанные. С 1930 года квартал между Московским и Измайловскими проспектами и 1-й Красноармейской улицей занимает Балтийский Технический Университет, основанный как Ленинградский Механический Институт ("Военмех"). В 1934-1938 годах построено здание универмага "Фрунзенский". В 1938 году по проекту Л. А. Ильина построен жилой дом №79. Этот участок занимали городские бойни для скота и многочисленные городские свалки. Мусор на них постоянно прел, это место называли "Горячим полем". В 1938-1940 годах возведены жилые дома №157 и 163, объединяющие площадь Чернышевского с Московским проспектом. В 1939 году реконструирован Обуховский мост, переправа приняла существующий сейчас облик. В 1939-1940 годах построены жилые дома №145 и 147. Дом №149 занимает пожарный техникум, построен в 1939 году. В это же время появились здания на углу проспекта и Кузнецовской улицы - №153 и 186.
За Обводным каналом ширина проспекта больше нежели до него. Здесь вдоль трассы шла дорога для прогона скота на городские скотобойни, её в 1930-х годах использовали для увеличения ширины Московского проспекта. В 1930-х построен дом №96 - первый из крупноблочных домов. На его строительство понадобилось всего 28 дней. В 1936-1941 годах оформлялась самая большая площадь по территории в городе - Московская. В 1937-1939 годах по проекту Д. Ф. Фридмана построено здание для "Союзпушнины" (дом №98). В 1937-1940 годах по проектам А. И. Гегелло и С. В. Васильковского построены дома №204, 206, 208 и 210.
В 1930-х годах Московский проспект планировался как главная улица Ленинграда. Город не мог расширяться на север из-за близости границы с Финляндией, основное строительство шло на юге города. В результате именно Московский проспект становился главной магистралью не только этих районов но и всего Ленинграда. Генеральный план 1935-1939 годов предусматривал создание здесь нового общегородского центра. Помешали его осуществлению война с Финляндией, когда северная граница страны отодвинулась от Ленинграда, и последующая Великая Отечественная Война. Далее этот план оказался нецелесообразен. Однако уже был построен ряд парадных зданий, на проспекте высадили аллеи деревьев.
В 1930-х годах проектировался новый южный обводный канал. Проект не был реализован, по линии проектируемого канала появилась улица Бассейная. На пересечении Бассейной улицы с Московским проспектом в 1940-1941 годах построен дом №190 украшенный декоративным бельведером со шпилем. В конце 1930-х была распланирована площадь на пересечении Московского проспекта с улицами Победы и Фрунзе. Улица Победы тогда носила название улицы Мира.
7 октября 1945 года заложен парк Победы.
В послевоенные годы был застроен квартал между Московским проспектом, Благодатной и Кузнецовской улицами. Сад "Олимпия" между Клинским и Малодетскосельским проспектами возник также после Великой Отечественной войны. До неё здесь был рынок и кинотеатр "Олимпия", потому сад и носит такое название. В советское время он назывался садом им. А. С. Грибоедова. В 1948 году сооружена садовая ограда по проекту Г. Л. Ашрапяна и В. А, Каменского. По их же проекту построен дом №37 с угловой башней. В 1949-1952 годах была оформлена Обуховская площадь у Обуховского моста через Фонтанку. Тогда же по проекту В. И. Кузнецова и В. В. Позднякова построили новый корпус Университета Путей Сообщения (тогда - ЛИИЖТ) - дом №13, надстроили дом №14. В 1953 году возведён первый в Ленинграде жилой 10-этажный дом (№202). В его первом этаже был устроен кинотеатр "Дружба". В 1954-1955 годах строился виадук окружной железной дороги (архитектор В. Д. Кирхоглани).
На углу Московского и Загородного проспектов в 1955 году по проекту А. М. Соколова и А. К. Андреева построен дом №28. Здесь открылись станция метро "Технологический Институт" и главное управление метрополитена.
С 1956 года вся магистраль стала называться Московским проспектом. В 1950-х годах начало формироваться архитектурное оформление площади Победы, завершающей Московский проспект. В 1961 году открылись станции метрополитена "Парк Победы", "Электросила". Подземный переход сооружённый в 1967 году, стал обеспечивать связь между корпусами "Электросилы" и станцией метро. В 1963-1965 годах построены два 9-этажный жилых дома №205 и 220. В их нижних этажах был открыт универмаг "Московский". В 1964 году на углу ул. Гастелло и Московского проспекта открыт кинотеатр "Зенит". В 1960-х годах реконструирован Ново-Московский мост через Обводный канал. В 1975 году по проекту Е. А. Жука построен дом №111 - новый административный корпус обувной фабрики "Скороход". С 1976 года в ДК им. В. П. Капранова (дом №97) разместился филиал драматического театра им. В. Ф. Комисаржевской. В 1970-х годах на Московском проспекте построены новые корпуса производственного объединения "Электросила" (дом №139). В 1980 году на административном корпусе Института Метрологии установили электронное табло, показывающее точное время, температуру и давление воздуха. В 1981-1984 годах построен жилой дом №73.
В 1998 году на Московском проспекте открылось новое здание Российской Национальной Библиотеки - дом №165/2.
