La avenida es construida en 1895 producto del surgimiento de la «Población Providencia», que consistió en un loteo que colindaba al este con la chacra Lo Bravo y al oeste con la antigua chacra de Matilde Salamanca, ocupada en aquel entonces por la casa y chacra del Convento Providencia, la Casa de Orates, estanques de agua potable y algunos regimientos.

[1]​ La vía estaba proyectada con un ancho de 30 metros y conectaba las avenidas Providencia por el norte e Irarrázaval por el sur, contemplándose una plaza en su porción central (a la altura de la actual avenida Francisco Bilbao), en donde las líneas de tranvía se bifurcaban para rodear dicha área verde.

[4]​[5]​ En 1946, con la construcción del barrio denominado «Pedro de Valdivia Norte», ubicado al norte del río Mapocho, se extendió la avenida Pedro de Valdivia hacia dicho sector.

[1]​ En 1977 se iniciaron las obras para que la avenida Pedro de Valdivia atravesara la plaza homónima, dada la congestión vial que generaba el rodearla como ocurría en su diseño original.

Junto con la construcción del nuevo tramo se construyó un puente peatonal que conecta ambos sectores de la plaza.