Ce toponyme a été adopté dans le cadre de l'harmonisation des noms de rues, rendue nécessaire par le regroupement municipal du 1er janvier 2002. La rue traverse l'ancien emplacement du marché Berthelot, en activité de 1835 jusqu'aux premières décennies du 20e siècle. C'est en 1825 que Michel Berthelot (1774-1840), notaire, et son frère Amable Berthelot (1777-1847), avocat et homme politique, offrent le terrain à la Ville pour qu'elle y ouvre un marché public. Grâce à sa position centrale, celui-ci devient le lieu de rencontre privilégié des résidants des faubourgs Saint-Jean et Saint-Louis. La première halle, en bois, est agrandie en 1852, puis remplacée en 1866 par une construction en pierre et en brique. L'édifice, partiellement incendié, est démoli en 1965.

Ancien toponyme
La rue du Marché-Berthelot portait auparavant le nom de Place Berthelot, adopté vers 1931.