Gaden har navn efter søofficeren Peter Willemoes (1783-1808).
Han deltog ikke i de krigshandlinger, der foregik her i området i 1807, og som er beskrevet under Livjægergade, men man har alligevel ønsket at hædre ham med et gadenavn.
Willemoesgade er anlagt i 1880’erne. Den ligger, hvor Classens Have tidligere lå.
Indgangen til Willemoesgade fra Østerbrogade er flankeret af to markante bygninger med hjørnetårne. De er opført af én af Østerbros byggematadorer, S.C. Petersen-Hinrichsen i 1895. Arkitekten var
Willemoesgade har vejtræer som én af de få gader på Østerbro. Historien fortæller, at gaden følger en gammel markvej, som også havde træer.
På hjørnet af Willemoesgade og Fiskedamsgade ligger Frihavnskirken.