Vejen har sit navn efter landstedet Mariendal, der lå på hjørnet af Falkoner Allé.
Gården hed oprindeligt Falkendal, fordi den hørte til Falkonergården på Falkoner Allé.
I slutningen af 1880’erne udstykkede Mariendals ejer, Niels Josephsen, gårdens jord til villabyggeri. Han var beundrer af det græske kongehus, så en del af vejene fik navn efter dets medlemmer.
Det gælder Kong Georgs Vej, Dronning Olgas Vej, Prins Constantins Vej og Kronprinsesse Sofies Vej.
Udstykningen omfattede også Nitivej, som har sit navn efter hans og hans kones initialer.
Langs Mariendalsvej kom der dog foruden villaerne også tidligt etageejendomme, fordi en række stiftelser opførte boliger her til deres medlemmer.
Det gælder f.eks. Mariendalsvej 36, der blev bygget til Handelsrejsendeforeningen af 1886. Bygningen er tegnet af arkitekten Frederik Levy (1851-1924) og består af to længer til hhv. gård- og gadesiden.
På Mariendalsvej 62 blev der omkring 1905 opført to blokke med arbejderboliger (herover).
De blev tegnet af arkitekten Ulrik Plesner (1861-1933) og indeholdt 40 små lejligheder, der sikkert blev beboet af de arbejderfamilier, som var beskæftiget på fabrikkerne i nærheden.
Lejlighederne var som nogle af de første herhjemme indrettet med spisekøkken, som man sparede et værelse til opholdsrum.
Mariendalsvej havde fra omkring 1900 en del industrivirksomheder.
I slutningen af 1800-tallet flyttede Anthon Bergs Chokoladefabrik til Mariendalsvej 8 fra Gammel Strand og senere til Teglværksgade på Østerbro. På adressen på Mariendalsvej blev fabrikkens berømte marcipanbrød opfundet.
På Mariendalsvej 46 (hjørnet af Kronprinsesse Sofies Vej) lå A/S Henriques & Løvengreens Trikotagefabrik, der var grundlagt i 1897. Virksomheden havde over 200 medarbejdere. Bygningerne bruges i dag af Københavns Professionshøjskole.
På Mariendalsvej 57 lå fra 1897 A/S Weilbach og Cohns metalvarefabrik. Bygningerne er i dag nedrevet.