Ex-rue Cavé, créée à la suite des nouveaux lotissements des terrains appartenant à la Caisse des dépôts et consignations. Entre le Boulevard Richard Wallace et la Place de Bagatelle. Elle prit ce nom à la suite de la délibération du conseil municipal du 28 décembre 1954, Achille Péretti étant maire.
Le nom de ce quartier de Neuilly et de cette rue provient de la fameuse Folie d'Artois — cf la Place de Bagatelle — qui n'était qu'une dépendance du château de Madrid, sur l'emplacement duquel se situe maintenant ce quartier de Neuilly, Bagatelle, à la suite de lotissements résidentiels successifs.
En 1720, le maréchal et duc d'Estrées rachète et fait agrandir la petite maison de l'avocat général Bellanger. Son épouse, la maréchale, y habita jusqu'en 1745, en y organisant, au profit du Régent puis du roi Louis XV, de nombreux rendez-vous galants. Bagatelle devint le lieu à la mode des libertins du siècle des lumières, et ce sont eux qui auraient fait passer son nom dans le vocabulaire d'alors. En 1755, le comte d'Artois fait l'acquisition du domaine, qu'il connaissait bien, auprès de la marquise de Montconseil, qui avait continué à donner des réceptions ludiques et légères.
Le château sera démoli et deviendra la Folie d'Artois qui embrasse la route de Sèvres à Neuilly et la plaine jusqu'à la Seine. Le paysagiste écossais Blaikie et le marchand d'arbres, comme on disait alors, le pépiniériste Journet ont donné à cette propriété un aspect vallonné, la peuplant d'étangs, de rochers et de cascades dans l'esprit de l'époque, fort éloignée des jardins à la française du paysagiste Lenôtre. La Révolution s'en prendra aux châteaux de la Muette et de Madrid qui seront détruits, mais épargnera Bagatelle. Napoléon Ier rachète le domaine, en 1806, par l'intermédiaire de l'administration des Domaines qu'il vient de créer.
Le 6 octobre 1835, un aristocrate anglais, très francophile, lord Seymour, rachète Bagatelle. Il rehausse le château, lui donnant son aspect cubique. Sous Napoléon III, il portera la superficie à 24 hectares par des acquisitions successives sur le Bois de Boulogne. Puis il l'adapte selon l'esprit que l'ingénieur Raymond Alphand vient de donner au Bois de Boulogne, sur l'instigation du préfet Georges Haussmann, anobli par l'empereur Napoléon III, qui lui avait confié la modernisation de Paris. C'est à cette époque que furent construits l'orangerie, les écuries et les communs pour le personnel, transformés à la fin du XXe siècle en un restaurant, la petite maison du chef-jardinier, et la grille d'honneur qui a permis une ouverture sur le Bois de Boulogne.
Lord Seymour meurt en 1870, au moment de la chute du Second Empire, laissant son domaine à Richard Wallace, qui aurait été son fils naturel. Poursuivant la politique d'amélioration et d'embellissement de son père, il fit construire le pavillon de Trianon et les pavillons des gardes. En 1905, le dernier propriétaire ne pouvait plus entretenir le domaine et le cède à la préfecture de la Seine, qui l'inclut dans le Bois de Boulogne, l'intégrant ainsi désormais à Paris.
C'est à partir de cette époque que les jardins de Bagatelle vont devenir publics et être sans cesse améliorés pour le plaisir des visiteurs : création des nymphéas, de la roseraie, de l'exposition d'iris, puis du jardin potager, due au conservateur Jean-Claude Nicolas Forestier.