Le toponyme route du Vallon a été officialisé en 2006, mais la voie qu'il désigne existe depuis plusieurs années. La route du Vallon a pris le nom d'une ancienne route qui dès la fin du 17e siècle reliait le chemin Gomin au chemin Sainte-Foy. Prolongée au nord du chemin Sainte-Foy en 1970, celle-ci est devenue l'autoroute du Vallon (auj. autoroute Robert-Bourassa). Le nom « du Vallon » vient probablement de Thierry Delestre dit le Vallon ou Du Valon, natif du Hainaut (Wallonie), région historique située de part et d'autre de la frontière franco-belge actuelle. Ce maître tailleur d'habits d'origine wallonne - d'où son surnom - arrive vers 1656 à Québec où il épouse, la même année, Marie Péré, venue du Béarn, en France. En 1663, il achète une terre sur la côte Saint-Michel (auj. chemin Sainte-Foy), dans la seigneurie de Sillery. Il est mort en 1684.

La rue du Vallon doit son nom au relief accidenté de ce secteur de Charlesbourg, où l'on retrouve des petites vallées, ou courtes dépressions peu profondes, aux versants faiblement inclinés.