Le parc du Château-d'Eau, situé rue du Golf, avoisine l'école primaire de Château-d'Eau.

L'emplacement du château d'eau (le bâtiment) se situe au nord de la rue de la Prise-d'eau. Au 19e siècle, cet emplacement en bordure de la rivière Saint-Charles est vu comme un site d'approvisionnement en eau potable idéal pour la Ville de Québec qui y installe, dès 1854, une conduite d'eau reliant Loretteville à Québec. La Ville commande à Charles Baillairgé, alors ingénieur municipal, les plans d'un bâtiment pour abriter la prise d'eau. On appellera cet ouvrage le « château d'eau », bien que ce mot désigne en réalité un grand réservoir à eau. En 1950, la Ville de Québec améliore son système d'aqueduc et fait construire un nouveau château d'eau pour abriter une série de canaux reliant la rivière aux quatre conduites principales de l'aqueduc. En 1969, une usine de filtration s'ajoute à l'ensemble.

La rue du Château-d'Eau se trouve dans le prolongement de la rue de la Prise-d'Eau, qui mène à la prise d'eau et à l'usine de traitement. Son nom rappelle la présence du château d'eau construit en 1950, bâtiment d'aspect médiéval qui constitue un exemple tardif - et rare dans le secteur - du style château.

Château-d'Eau est aussi le nom d'une ville fondée en 1926 et dont le territoire appartenait jusque-là à la municipalité du village de Loretteville. Dans les années 1880, la nouvelle ligne de chemin de fer qui traverse ce secteur d'est en ouest y favorise le peuplement ainsi que le développement de la villégiature. Plusieurs familles aisées de Québec s'y font construire des résidences d'été, formant bientôt une petite communauté de villégiateurs à l'ouest de la rivière Saint-Charles, en face du château d'eau. Peu à peu, l'endroit est désigné par le nom de Château-d'Eau, que l'on attribuera également à la ville. Celle-ci est délimitée par la rivière Saint-Charles et par les rues connues aujourd'hui sous les noms de Rivière-Nelson, Georges-Cloutier et du Jardin. En 1965, Château-d'Eau est annexée à Loretteville, réintégrant ainsi son territoire d'origine.

Ancien toponyme
La rue du Château-d'Eau portait initialement le nom de rue Château-d'Eau, adopté vraisemblablement dans les années 1950.