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. Il évoque le souvenir d'un ancien domaine de Sillery constitué entre 1649 et 1653 par Louis d'Ailleboust de Coulonge et d'Argentenay (1612-1660), gouverneur de la Nouvelle-France. Le fief, élevé au rang de châtellenie en 1657, comprend toute la partie est de Sillery. L'Hôtel-Dieu de Québec devient propriétaire de l'ensemble de la châtellenie de Coulonge en 1671, pour la céder cinq ans plus tard au Séminaire de Québec. L'avenue de la Châtellenie se trouve tout près du parc du Bois-de-Coulonge, aménagé sur une partie de l'ancien domaine.

Ancien toponyme
L'avenue de la Châtellenie portait auparavant le nom d'avenue Belmont, adopté vers 1939. Cette voie a été tracée à même un domaine compris entre le chemin Sainte-Foy et la Grande Allée, lequel a appartenu à James Murray (1721-1794), premier gouverneur britannique de Québec. Une villa y est construite vers 1800. Le domaine est légué en 1810 à sir John Caldwell, fils du colonel Henry Caldwell qui s'est illustré aux côtés du général Wolfe lors de la prise de Québec en 1759. De 1817 à 1829, l'homme d'affaires James Irvine habite la propriété, baptisée Belmont House à cause de la vue panoramique qu'elle offre sur les Laurentides. Belmont House revient à la famille Caldwell lorsque Henry John Caldwell, fils de sir John, s'en porte acquéreur. En 1857, la fabrique de Notre-Dame-de-Québec achète une partie du domaine, alors propriété de John Dunscomb, pour y aménager le cimetière Notre-Dame-de-Belmont.