Вулиця виникла в середині XX століття, разом із теперішньою Райдужною вулицею була частиною вулиці Шевченка. Відокремлена під назвою вулиця Серова, на честь російського художника Валентина Сєрова, у 1955 році[2]. У 1957 році[3] до неї було приєднано 925-ту Нову вулицю та провулок Сєрова. 1974 року офіційне найменування уточнили на вулиця Валентина Сєрова[4]. З початку 1980-х років вулиця є пішохідною.