ก่อนหน้านี้ถนนพหลโยธินมีชื่อเดิมว่า "ถนนประชาธิปัตย์"[1][2] ไปถึงดอนเมืองเมื่อปี พ.ศ. 2479 รวมระยะทางได้ 22 กิโลเมตร ในปี พ.ศ. 2481 จอมพล ป.พิบูลสงครามได้ขยายสายทางต่อจากดอนเมือง ผ่านอำเภอบางปะอิน อยุธยา สระบุรี และขยายต่อมาถึงจังหวัดลพบุรีเมื่อวันที่ 24 มิถุนายน พ.ศ. 2483 รวมระยะทางได้ 162 กิโลเมตร ต่อมาคณะรัฐมนตรีอนุมัติให้ตั้งชื่อว่า "ถนนพหลโยธิน" เมื่อวันที่ 10 ธันวาคม พ.ศ. 2493 เพื่อเป็นอนุสรณ์แก่พันเอกพระยาพหลพลพยุหเสนา (พจน์ พหลโยธิน) หัวหน้าคณะราษฎร ผู้นำการปฏิวัติสยาม พ.ศ. 2475 และนายกรัฐมนตรีคนที่สองของไทย[3] จากนั้นจึงขยายเส้นทางขึ้นไปเรื่อย ๆ ในที่สุดได้มีการรวมทางหลวงสายลำปาง–เชียงรายเข้าเป็นส่วนหนึ่งของถนนพหลโยธินด้วย