L'avenue D'Estimauville dessert deux arrondissements.

Né à Louisbourg, dans l'actuelle île du Cap-Breton, Jean-Baptiste-Philippe-Charles d'Estimauville (1750-1823) est un officier dans l'armée et dans la milice qui, parallèlement à sa carrière militaire, est aussi fonctionnaire et juge de paix. Il se distingue surtout comme grand voyer du district de Québec, de 1809 à 1823. Il dirige alors 58 inspecteurs et 275 sous-voyers qui veillent à l'ouverture et à l'entretien des chemins dans leur secteur respectif. L'intervention du grand voyer ou de son adjoint est requise pour statuer sur des requêtes de citoyens ou pour trancher des litiges. Pendant le mandat de d'Estimauville, 248 procès-verbaux sont dressés. En 1794, d'Estimauville obtient également une commission de juge de paix pour le district de Québec. Cette commission lui est renouvelée cinq ans plus tard, cette fois pour le district de Trois-Rivières.

Anciens toponymes
Dans l'arrondissement de La Cité-Limoilou, l'avenue D'Estimauville, qui s'appelait autrefois route De Salaberry, apparaît sur une carte de 1913 bien qu'aucun nom n'y soit inscrit. Elle avait été nommée en l'honneur du Beauportois Charles-Michel d'Irumberry de Salaberry (1778-1829).

Dans l'arrondissement de Beauport, l'avenue D'Estimauville portait autrefois le nom de route de l'Asile, remplacé le 16 août 1943 par celui de rue d'Estimauville. La route de l'Asile menait à un établissement psychiatrique, l'Asile des aliénés de Québec, ouvert au milieu du 19e siècle dans l'ancienne résidence du juge Amable de Bonne. L'institution, fondée en 1845, occupait à l'origine l'ancien manoir de Beauport. Agrandi de plusieurs ailes, l'asile est confié en 1893 aux Sœurs de la Charité de Québec qui en modernisent peu à peu les installations et aménagent des jardins tout autour. En 1897, l'établissement est reconnu comme municipalité et a tout ce qu'il faut pour fonctionner de façon autonome. En 1912, il devient l'asile Saint-Michel-Archange et, deux ans plus tard, l'hôpital Saint-Michel-Archange. La croissance se poursuit avec l'ouverture de la clinique Roy-Rousseau en 1926, de l'école Jemmerais en 1928 et du pavillon Dufrost en 1931. En 1939, un incendie dévaste le complexe, qui sera reconstruit sans tarder. Devenu le Centre hospitalier Robert-Giffard en 1976, l'établissement fait aujourd'hui partie du réseau public de la santé du Québec.