Расположена в районе Сокольники Восточного административного округа между эстакадой Электрозаводского моста и Русаковской улицей, на правом берегу реки Яузы. На карте города её начальный отрезок появился в 1920-е годы, когда был спущен последний из прудов речки Рыбинки.

Названа 9 мая 1960 года в честь Героя Советского Союза Николая Гастелло — советского военного лётчика, капитана, участника трёх войн, командира 2-й эскадрильи 207-го дальнебомбардировочного авиационного полка 42-й дальнебомбардировочной авиационной дивизии 3-го дальнебомбардировочного авиационного корпуса Дальнебомбардировочной авиации ВВС РККА. 

Прежнее название — 3-я Сокольническая улица.

На этой улице, в самом ее начале, находится Елизаветинский дворец. Еще в XVI веке в том месте располагалось село Рубцово, принадлежавшее Ивану Грозному, а затем его сыну Федору Ивановичу. В следующем столетии первый царь из династии Романовых - Михаил Федорович - построил там свой загородный дворец, при котором вскоре была заложена церковь в честь Покрова Богородицы. От нее село стало называться Покровским.После смерти Елизаветы в на улице его имени 1761 году дворцом практически не пользовались, и он быстро пришел в запустение. Лишь спустя сто лет дворец вновь понадобился. В 1870 году во дворце была размещена московская Владыко-Покровская епархиальная община сестер милосердия. В 1872 году община получила статус монастыря - сестры милосердия становились монахинями. Была также построена церковь Покрова.В советский период монастырь был упразднен, его каменная ограда разрушена. Теперь это рядовое административное здание.Рядом с Елизаветинским дворцом размещается трехэтажное краснокирпичное здание, принадлежавшей Покровской общине больницы. Первоначально оно было двухэтажным, с эффектным декором псевдорусского стиля, но впоследствии утратило свой вид в результате надстройки. Больница была сооружена в 1913 году к трехсотлетию правления дома Романовых, а название церкви связано с именем первого царя из этой династии. Спроектировал здание архитектор Л. В. Стеженский. Чуть дальше, за небольшой треугольной площадкой на стыке улиц стоят два трехэтажных корпуса. Они входили в комплекс Сокольнической больницы и служили жильем для обслуживающего персонала. Сейчас в ней расположено медицинское учебное заведение.По другую сторону от центральных ворот казарм сторону улицы за забором виднеется приземистая краснокирпичная постройка достаточно широких очертаний. Это еще одно культовое сооружение в здешних местах - церковь Благовещения, построенная в 1906 году при Саперных казармах и предназначенная для размещенных в них солдат и офицеров. Сейчас здание практически лишено церковной атрибутики и о том, что это здание когда-то было церковью, говорит лишь ее случайная ориентация по отношению к улице - церкви всегда строят алтарем на восток, вне зависимости от направления улиц.

Николай Францевич Гастелло - советский военный лётчик, участник трёх войн, в момент гибели занимал должность командира 2-й эскадрильи 207-го дальнебомбардировочного авиационного полка 42-й дальнебомбардировочной авиационной дивизии 3-го дальнебомбардировочного авиационного корпуса Дальнебомбардировочной авиации ВВС РККА в звании капитана. Погиб во время боевого вылета. Герой Советского Союза, посмертно.
26 июня 1941 года, т.е. спустя всего четыре дня с момента начала войны, экипаж под командованием капитана Н. Ф. Гастелло в составе лейтенанта А. А. Бурденюка, лейтенанта Г. Н. Скоробогатого и старшего сержанта А. А. Калинина на самолёте ДБ-3ф вылетел для нанесения бомбового удара по германской механизированной колонне на дороге Молодечно — Радошковичи в составе звена из двух бомбардировщиков. Огнём зенитной артиллерии противника самолёт Гастелло был подбит. Вражеский снаряд повредил топливный бак, что вызвало пожар на борту, и Гастелло совершил огненный таран — направил горящую машину на механизированную колонну врага. Все члены экипажа погибли.

Указом Президиума Верховного Совета СССР от 26 июля 1941 года капитан Николай Францевич Гастелло был посмертно удостоен звания Герой Советского Союза.