Проспект виник на початку XX століття у складі вулиці 4-а Просіка, частина проспекту на ділянці між нинішніми Берестейським проспектом і вулицею Василя Стуса — під назвою Трамвайна[1] на території Святошинських дач. Був виокремлений під назвою Новобіличанська вулиця у 1958 році[2]. Сучасна назва на честь О. В. Палладіна — з 1973 року[3].
У 1970-ті роки проспект ґрунтовно реконструйовано, його продовжено крізь стару забудову, споруджено шляхопровід над залізницею Київ — Коростень. У 1977 році до проспекту приєднано також реконструйовану частину Великої Окружної дороги, що не мала назви (від залізниці до вулиці Стеценка)[4]. У постанові про приєднання її помилково названо частиною Гостомельського шосе[5].
Дачные местности вблизи г. Киева / под ред. М. Т. Волынского. — К. : Изд. Ф. Л. Иссерлиса и К°, 1909. — [2], 186, IV с. : рис. — (Дачник). (рос. дореф.)