La rue Montoulieu-Vélane tient son nom de la proximité de la porte Montoulieu et de la place du même nom. Au Moyen Âge, ensemble avec l'actuelle rue Montoulieu-Saint-Jacques, elle portait simplement le nom de rue Montoulieu : les premières mentions en remontent au milieu du . Ce nom lui venait probablement d'un mont des Oliviers ("mont oliu" en occitan), mal identifié. À la Révolution, en 1794, elle fut rebaptisée rue des Thermopyles, en hommage à la fameuse bataille du roi de Sparte Léonidas, symbole du combat pour la liberté grecque face aux barbares et aux tyran perses, célébré après 1792 comme l'exemple de la lutte de la France révolutionnaire contre les monarchies européennes. En 1806, la rue retrouve son premier nom, quoique le qualificatif de Vélane lui est adjoint, à cause de la proximité de la rue Vélane.