Appelée rue de Chatou sur le plan Terrier de 1781, puis chemin de Croissy à Chatou sur le plan cadastral de 1826, elle devient avenue des Tilleuls en 1853. C’est Georges Gougenot, Seigneur de Croissy de 1721 à 1751 qui fit planter et aménager cette avenue vers 1730, avec l’accord et le concours du Seigneur de Chatou, le marquis de Tessé. En 1940, Charles de Gaulle passa en revue une partie des troupes de la 4° division cuirassée sur cette avenue.