Le nom de cette rue rappelle celui d'une ville devenue un secteur de l'arrondissement de Charlesbourg. L'usage du nom Orsainville remonte aux premiers temps de la Nouvelle-France. À partir de 1675, en effet, il désigne le comté que possède l'intendant Jean Talon à l'ouest de la seigneurie de Notre-Dame-des-Anges (auj. dans l'arrondissement des Rivières). Formé de la réunion de trois terres que l'intendant a achetées en 1667 et 1668 au bord de la rivière Saint-Charles, ce fief est d'abord connu sous le nom de seigneurie des Îlets. Il est érigé en baronnie en 1671, avant de devenir le comté d'Orsainville en 1675. À la mort de l'intendant, en 1694, Mgr de Saint-Vallier acquiert la propriété, qui redevient une seigneurie. Celle-ci passe à l'Hôpital Général de Québec en 1791.

La ville d'Orsainville, créée en 1960, est d'abord érigée comme municipalité de la paroisse de Saint-Charles-Borromée en 1845, puis comme municipalité de la paroisse d'Orsainville en 1953. Même si elle en emprunte le nom, la ville n'occupe pas le territoire de l'ancienne seigneurie d'Orsainville. Elle s'étend en effet à l'est de l'autoroute Laurentienne, alors que la seigneurie se trouvait à l'ouest. En 1976, Orsainville est annexée à la ville de Charlesbourg, devenue un arrondissement de la ville de Québec en 2000.

Anciens toponymes
La rue d'Orsainville portait auparavant le nom de place Orsainville. Le générique « place » a été remplacé par un terme plus conforme à la configuration des lieux. La place Orsainville désignait à l'origine une partie de la 14e Rue Est. Ce toponyme faisait partie d'un système de dénominations numériques adopté vers 1960 par la municipalité d'Orsainville, aujourd'hui un secteur de l'arrondissement de Charlesbourg.