Проспект виник на початку XX століття у складі вулиці 4-а Просіка. Був виокремлений під назвою Новобіличанська вулиця у 1958 році^[1]. Сучасна назва на честь О. В. Палладіна — з 1973 року^[2].

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)^[3]. У постанові про приєднання її помилково названо частиною Гостомельського шосе^[4].