Как и все центральные улицы города, улица Цвиллинга имеет давнюю историю. Самая старая часть улицы первоначально носила название Оренбургской, по наименованию южных ворот челябинской крепости. В XVIII—XIX веках она являлась главной улицей города. Затем получила наименование Христорождественской по названию главного храма города — Христорождественского собора, построенного в 1748—1766 годах (находился в северо-восточной части площади Ярославского, разрушен в 1932 году). С конца XIX века до 1920 года улица называлась Большой. В дореволюционном Челябинске это была одна из немногих улиц, мощёных булыжником; её южная часть, ведущая к вокзалу, носила название Шоссейной. Своё важное транспортное значение улица сохранила и поныне.

1 мая 1920 года исполком городского Совета переименовал ряд центральных улиц и площадей города «в честь павших героев Гражданских войны, борцов за свободу и новых революционных символов», в результате этого часть бывшей улицы Большой, что южнее площади Революции, была объединена с нынешней Кирова и вместе стала носить название Рабоче-Крестьянской, а появившаяся тогда же на карте города улица Цвиллинга была заметно короче, и шла только от набережной реки Миасс до площади.