ถนนวังหลังเป็น "ถนนสายที่ 5" ในโครงการตัดและขยายถนน 11 สายในจังหวัดธนบุรีและจังหวัดพระนคร ซึ่งเกิดขึ้นหลังจากการก่อสร้างสะพานปฐมบรมราชานุสรณ์ (สะพานพระพุทธยอดฟ้า) เมื่อปี พ.ศ. 2472 รัชสมัยพระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัว โดยถนนสายที่ 5 เป็นหนึ่งในถนนซอย 6 สายที่ตัดจากริมแม่น้ำเจ้าพระยาเพื่อเชื่อมต่อกับถนนหลัก 4 สายแรก มีแนวเส้นทางตั้งแต่ริมแม่น้ำเจ้าพระยา ใต้โรงพยาบาลศิริราช ผ่านถนนสายที่ 2 (ปัจจุบันคือถนนอรุณอมรินทร์) ตรงไปออกถนนสายที่ 3 (ปัจจุบันคือถนนอิสรภาพ) กว้าง 16 เมตร และยาวประมาณ 830 เมตร ตามพระราชกฤษฎีกาว่าด้วยการจัดซื้อที่ดินและอสังหาริมทรัพย์อย่างอื่น เพื่อตัดและขยายถนนฝั่งจังหวัดธนบุรีและจังหวัดพระนคร[2]

ก่อนหน้าที่จะตัดถนนขึ้น ถนนส่วนต้นที่ข้างโรงพยาบาลศิริราชเดิมเคยเป็นตรอกฉางเกลือมาก่อน และจุดเริ่มต้นถนนบริเวณริมแม่น้ำยังเป็นบ้านเดิมของศาสตราจารย์ ดร.เต็ม สมิตินันทน์ นักพฤกษศาสตร์คนสำคัญของไทย ที่ถูกเวนคืนไปเพื่อตัดถนน[3] และเนื่องจากถนนสายนี้ตัดผ่านบริเวณซึ่งเคยเป็นที่ตั้งของพระราชวังบวรสถานพิมุขหรือวังหลังในรัชสมัยพระบาทสมเด็จพระพุทธยอดฟ้าจุฬาโลกมหาราช สมเด็จพระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมพระยาดำรงราชานุภาพจึงทรงตั้งชื่อถนนถวายพระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัวว่า ถนนวังหลัง เพื่อเป็นการรักษาชื่อวังหลังไว้ไม่ให้สูญหายไป พระองค์จึงโปรดเกล้าฯ พระราชทานชื่อถนนสายนี้ตามที่สมเด็จฯ กรมพระยาดำรงราชานุภาพทรงเสนอ[4] แต่ปรากฏว่าถนนวังหลังเพิ่งมาสร้างเสร็จในสมัยหลังการเปลี่ยนแปลงการปกครอง พ.ศ. 2475 ซึ่งสภาพบ้านเมืองได้เปลี่ยนแปลงไปจากแต่ก่อน ประกอบกับทางราชการต้องการเปลี่ยนชื่อถนนเจ้ากรุงธนซึ่งมีเส้นทางเชื่อมต่อกันเป็น "ถนนอิสรภาพ" เพื่อให้ชื่อถนนทั้งสองสายมีความหมายเกี่ยวเนื่องกันจึงเปลี่ยนชื่อถนนวังหลังเป็น ถนนพรานนก[5] ตามชื่อบ้านพรานนกในจังหวัดพระนครศรีอยุธยาซึ่งเคยเป็นสมรภูมิแห่งหนึ่งในเส้นทางการกอบกู้เอกราชของพระยาตาก โดยมีพิธีเปิดถนนทั้งสองสายเมื่อวันที่ 6 มกราคม พ.ศ. 2482[5] ภายหลังมีการสร้างถนนต่อจากทางแยกพรานนกไปออกถนนจรัญสนิทวงศ์ที่ทางแยกไฟฉาย

อย่างไรก็ตาม จากการศึกษาค้นคว้าหลักฐานทางประวัติศาสตร์ถนนฝั่งธนบุรีของสำนักการโยธาและสำนักงานปกครองและทะเบียน ตามที่ได้รับมอบหมายจากกรุงเทพมหานคร ทำให้พบข้อมูลว่าถนนพรานนกตั้งแต่ท่าเรือพรานนกถึงทางแยกพรานนกในอดีตได้รับการกำหนดชื่อว่าถนนวังหลัง ดังนั้น ในวันที่ 8 มิถุนายน พ.ศ. 2555 คณะกรรมการกลางตั้งชื่อถนน ตรอก ซอย วงเวียน ทางแยก คลอง สะพาน และสถานที่สำคัญในเขตกรุงเทพมหานคร และในวันที่ 31 ตุลาคม ปีเดียวกัน คณะกรรมการพิจารณากำหนดหรือเปลี่ยนชื่อถนน ตรอก ซอย คูคลอง ในพื้นที่เขตบางกอกน้อย จึงมีมติให้เปลี่ยนชื่อถนนพรานนกช่วงดังกล่าวเป็น "ถนนวังหลัง" เพื่อให้ตรงตามข้อเท็จจริงทางประวัติศาสตร์ โดยสำนักทะเบียนท้องถิ่นเขตบางกอกน้อยได้ออกประกาศเปลี่ยนชื่ออย่างเป็นทางการเมื่อวันที่ 22 มกราคม พ.ศ. 2556[6] สำหรับช่วงที่ต่อจากทางแยกพรานนกไปจนถึงทางแยกไฟฉายให้คงชื่อถนนพรานนกไว้ตามเดิม[7]