Alléen er muligvis anlagt allerede i 1500-tallet for at skabe em forbindelse fra udfaldsvejen gennem Østerport og den kongelige vej til Nordsjælland (i dag Lyngbyvej).
I den østlige ende af Øster Allé lå der i en kort periode i begyndelsen af 1800-tallet et salpeterværk.
Ved Trianglen ligger Østerbro Postkontors bygning, fra 1920. Der blev tegnet af arkitekten Thorvald Jørgensen (1867-1946) i nyklassicistisk stil med kraftige søjler i indgangspartiet.
Hans tanke med bygningen var, at den sammen med en identisk bygning mod Blegdamsvej, kunne skabe en monumental indgang til Fælledparken. Det blev dog ikke til noget, så posthusbygningen ligger i dag lidt alene på den store, åbne plads ud mod Trianglen.
Posthuset lukkede i 2021 og huset rummer i dag en restaurant i tilknytning til Enigma – Museet for Post-, Tele- og Kommunikation.
Selve museet har til huse i en nyere del af posthuset (herover), som blev opført i 1971.
På den modsatte side af alléen ligger Østre Elektricitetsværk (herover), der blev opført i 1902 og var tegnet af arkitekterne Ludvig Fenger og Ludvig Clausen.
Værket var det tredje elværk i København. De to første lå i Gothersgade og Tietgensgade.
Som nabo til elektricitetsværket ligger det lille kvarter af byggeforeningshuse Brumleby.
Ved Øster Allé ligger Parken, der er en udbygning af Københavns Idrætspark.
Ved indgangen til Parken står Knud Nellemoses skulptur “Mål” (herover), der blev opstillet i 1994. Skulpturen er en gave fra virksomheden Radiometer.
Langs Øster Allés sydside ligger en række større villaer. Flere er, eller har været, anvendt af udenlandske repræsentationer i Danmark. Øster Allé 7 (herunder) er Belgiens ambassade.
Den store etageejendom på Øster Allé 25 er Arbejderhjemmet Fredenshus, som blev opført omkring 1915 af Foreningen til Lærlinges Uddannelse. Arkitekten var Søren Lemche (1864-1955), som også tegnede Idrætshuset og andre bygninger ved Københavns Idrætspark.