Первое упоминание о улице Восстания относится к 1740 году. В то время она именовалась Преображенской, так как большая её часть проходила по слободе гвардейского Преображенского полка. Когда появилась ещё одна Преображенская улица (ныне улица Радищева), магистраль от Кирочной улицы до Невского проспекта стала именоваться Старой Преображенской, а с 1787 года - Офицерской. Здесь жили многие офицеры Преображенского полка. Однако Офицерские улицы появлялись и в других частях города, в середине XIX века эта улица взяла имя находящейся у её начала церкви - Знаменская.
С середины XVIII века по 1770-е годы на участке домов №5, 7 и 9 располагалась загородная усадьба фаворита императрицы Елизаветы Петровны Ивана Ивановича Шувалова. К 1770-м годам эта усадьба была продана Шуваловым по частям за ненадобностью. В 1792-1800-х годах участок дома №7 принадлежал архитектору Фёдору Ивановичу Демерцову. Здесь им был построен двухэтажный особняк.
В 1804 году участок на углу Знаменской улицы и Гусева Переулка (ныне переулок Громовой) стал принадлежать архитектору Ивану Егоровичу Старову (дом №13/1). В то время здесь находился двухэтажный дом с небольшим садом, на переулок выходил хозяйственный флигель. В 1808 году в этом доме Иван Егорович скончался. В 1817-1818 годах в доме №38/31 жил с матерью будущий композитор 13-летний Михаил Иванович Глинка. Это его первый петербургский адрес, где он поселился приехав в столицу из Смоленской губернии для поступления в Благородный пансион при Главном педагогическом институте.
С 1820 года переулок между домами №23 и 25 именуется Солдатским. Здесь располагались солдатские казармы Преображенского полка, отсюда и название. Впоследствии местными жильцами неоднократно подавались прошения о переименовании переулка, но каждый раз городские власти в этом им отказывали.
С 1830-х годов на участке дома №5 работал "фанерно-пильный" завод мебельного фабриканта Андрея Ивановича Тура, одного из поставщиков императорского двора. В 1845-1851 годах построено здание для Павловского женского института (дом №8). С 1856 года вплоть до революции участок дома №33 принадлежал семье купца Александра Алексеевича Дурдина, владельца известного в дореволюционной России пивоваренного завода "Иван Дурдин". В 1857-1859 годах для купца И. И. Мясникова по проекту А. П. Гемилиана был построен особняк в стиле "второго барокко" - дом №45. В 1859 году по проекту А. Х. Пеля перестраивался дом №7, здание приобрело существующий облик. В 1862-1863 годах в доме №24/27, квартире №9 жил молодой композитор М. П. Мусоргский. В 1873-1875 годах по проекту В. Ф. Геккера был построен дом №33. В 1883-1888 годах в доме №12/28 в квартире №47 жила Е. В. Крупская с дочерью Н. К. Крупской. В 1898 году в доме №39 жила известная деятельница большевистской партии Александра Михайловна Коллонтай. В 1900 году в доме №15/2 жил известный политический и общественный деятель Пётр Бернгардович Струве. В 1890-1900 годах в доме №43 проживал доктор медицины, профессор Военно-медицинской академии Сергей Сергеевич Боткин.
В 1902 году Малая Итальянская улица, пересекающая Знаменскую, получила имя Василия Андреевича Жуковского. В этом году отмечалось 50-летие со дня смерти поэта. До 1902 улица Жуковского носила имя Садовой Итальянской (середина XVIII века), Итальянская и Малая Итальянская. Эти названия связаны с находившимся на берегу Фонтанки Итальянским дворцом (наб. р. Фонтанки, 36), за которым вплоть до Лиговского канала тянулся сад. Территория сада в последствии оказалась застроенной.
Пересекающий улицу Восстания Озёрный переулок получил название от бассейнов на месте современного Некрасовского сквера. Из этих искусственных прудов вода по трубам поступала к фонтанам Летнего сада и к прудам в Таврическом саду. Расположенные рядом Бассейная (Некрасова) и Фонтанная улицы, Прудковский переулок получили свои названия по той же причине.
В 1902 году по заказу гвардии капитана А. П. Романова архитектором Б. Я. Зонном был построен дом №23/1. В 1902-1903 годах были построены дом №1, дом №18/17 (архитектор А. С. Хренов, памятная доска установлена здесь сразу по окончании строительства здания). В 1904-1906 годах по проекту С. Корнилова и при участии архитекторов В. А. Косякова и Г. А. Косякова был построен дом №19/53. Его фасад решён в стиле модерн, Общество архитекторов-художников удостоило авторов этого проекта серебряной медали за фасадное решение. В 1913-1914 годах на участке домов №3 и 5 для семьи фабриканта Тура по проекту Г. К. Космачевского было построено новое здание (дом №3-5). В 1914-1915 годах после реконструкции по проекту И. И. Долгинова существующий облик приобрёл дом №41, по проекту В. Ф. Иванова построен дом на углу Знаменской и Кирочной улиц - дом №46/19.
6 октября 1923 года улице дали новое название - улица Восстания. Это связано с событиями февраля 1917 года на Знаменской площади, когда на ней проходили многолюдные митинги и демонстрации.
В 1929-1934 годах в доме №31/2 в квартире №3 проживал народный артист СССР Юрий Сергеевич Лавров, отец художественного руководителя Большого драматического театра им. Г. А. Товстоногова Кирилла Юрьевича Лаврова. Кирилл Юрьевич провёл в этом доме ранние детские годы.
В годы Великой Отечественной войны дом №27/19 был полностью разрушен при бомбардировке. Полностью его восстанавливать не стали, на его месте остался только трёхэтажный флигель и сквер на углу улицы Восстания и Ковенского переулка. Тоже самое произошло и с домом №29. На его месте расположен сад и детская площадка. В 1976 году на месте двухэтажного дома №10/51 было построено новое жилое здание.
В 1998 году Топонимическая комиссия Санкт-Петербурга предлагала вернуть улице и площади Восстания исторические названия, однако губернатор города это предложение не утвердил.
В 2001 году проходила комплексная реконструкция улицы. Тротуары были замощены тротуарным кирпичом, произведена гидроизоляция полуподвальных помещений домов. С улицы были сняты трамвайные пути. В марте 2002 года в доме №41 в помещениях бывшего кинотеатра "Луч" открылся театр.
