Ce toponyme perpétue le souvenir d'une famille pionnière de Charlesbourg. L'ancêtre, Étienne Proteau ou Protot (vers 1639-1693), est originaire de Montreuil en Anjou (auj. en Maine-et-Loire). C'est à cet endroit que, vers 1663, il épouse Marguerite Seguin (vers 1630-1702), avec laquelle il aura 10 enfants. On ignore à quel moment le couple immigre en Nouvelle-France, mais il se trouve au pays en 1675. L'année suivante, Étienne Proteau acquiert une concession au rang Saint-Michel, dans la seigneurie de Beauport. En 1681, il habite Bourg-Royal (Charlesbourg) où une terre lui est concédée en 1685. Il est mort à l'Hôtel-Dieu de Québec.

Michel Proteau (vers 1679-?), fils d'Étienne, est le premier colon à s'établir dans le rang de la Commune (auj. rue du Vignoble), vers 1706. Il épouse Suzanne Bédard à Charlesbourg en 1710. L'un des descendants de cette famille, Augustin Proteau (1858-1939), aussi cultivateur dans le rang de la Commune, occupe de 1917 à 1921 le poste de maire de Charlesbourg-Est, municipalité qui sera annexée à la ville de Charlesbourg en 1976. Plusieurs membres de la famille Proteau habitent toujours rue du Vignoble en 2007. De plus, au numéro 1566, on peut voir la maison que Michel Proteau a fait bâtir en 1710 et connue aujourd'hui sous le nom de maison Kelly.

Ancien toponyme
La rue Proteau portait auparavant le nom de place Beaudry, adopté le 11 novembre 1963, en l'honneur de l'abbé Augustin Beaudry (1812-1896), curé de la paroisse de Saint-Charles-Borromée de Charlesbourg de 1862 à 1886. Ce toponyme a été remplacé car il existait à Charlesbourg un toponyme semblable.