Cette avenue, ouverte entre 1972 et 1974, rappelle que sur le plan religieux, l'ancien quartier de Lebourgneuf – autrefois la municipalité de Charlesbourg-Ouest – relève encore de nos jours de la vieille paroisse Saint-Charles-Borromée de Charlesbourg. Formée à même la seigneurie de Notre-Dame-des-Anges concédée aux Jésuites en 1626, la paroisse de Saint-Charles-Borromée est créée officiellement en 1693, mais les registres sont ouverts dès 1678.

Charles Borromée (1538-1584) est un prélat italien nommé archevêque de Milan en 1564. Il participe au concile de Trente (1562-1563) et veille à en faire appliquer les décisions, entre autres pour ce qui concerne la façon de dire la messe. Il s'attache à réformer le clergé, encourage les nouveaux ordres religieux, comme la Compagnie de Jésus, et fonde de nombreuses institutions, tel le collège Borromeo de Pavie. Le prélat rédige aussi un traité visant à réformer l'architecture des églises pour qu'elle reflète la symbolique chrétienne. Il propose notamment d'ouvrir le chœur afin que les fidèles puissent mieux voir l'eucharistie et préconise un plan en croix latine ainsi que l'orientation du chœur vers le soleil levant, symbole du Christ. Il est canonisé en 1610 par Paul V.

Ancien toponyme
L'avenue Charles-Borromée a été connue jusqu'en décembre 2000 sous le nom de place Borromée.