Từ ngã tư Khâm Thiên – Lê Duẩn đến ô Chợ Dừa.
Đây là một phố có tới 26 ngõ. Nhiều ngõ mang tên các thôn xóm cũ: như bên dãy số chẵn là các ngõ đền Tương Thuận, Trung Tiền, Trung Tả… bên dãy số lẻ là các ngõ Tô Tiền, Lệnh Cư, Thổ Quan… thuộc hai tổng Tiền Nghiêm và Hữu Nghiêm (xem mục về các ngõ này).
Thời Pháp thuộc, toàn bộ phố Khâm Thiên thuộc về địa phận tỉnh Hà Đông (huyện Hoàn Long). Sau thuộc Đại lý đặc biệt Hà Nội. Đến Cách mạng tháng Tám và sau hòa bình mới được sáp nhập vào nội thành.
Nay thuộc hai phường Khâm Thiên và Thổ Quan, quận Đống Đa.
Phố này có thể là một điểm cư dân khá cổ, vì tương truyền rằng vào thời Hai Bà Trưng cách đây tới hai nghìn năm, ở thôn Thổ Quan (ở phía sau dãy số lẻ) có ba anh em họ Đào đã nổi lên hưởng ứng cuộc khởi nghĩa của Hai Bà. Ngõ Lệnh Cư là nơi đoàn nghĩa quân này nổ ống lện làm hiệu đi chiến đấu (?).
So vào bản đồ Thăng Long thời Hồng Đức (1470 – 1497) thì đài thiên văn của nước ta lúc đó cũng xây dựng tại khu vực phố này. Đó là đài Khâm Thiên Giám (có lúc gọi là Tư Thiên Giám) có chức năng là theo dõi thời tiết, nghiên cứu khí tượng, đo đạc sự vận chuyển của trăng sao mà làm ra lịch. Có tên gọi như vậy là theo chữ trong sách Kinh thư: Khâm nhược thiên thời tức là “Kính theo vận của trời”. Đài này ở vào chỗ ngày nay là khu vực đầu phố, bên dãy số lẻ hoặc lùi vào trong phố chộ Khâm Thiên một chút. Vì theo các sách địa chí cổ thì chỗ đó là đất thôn Khâm Thiên Giám. (Tới 1831 thôn này đã đổi ra là thôn Khâm Đức – Xem thêm mục này). Như vậy đài Khâm Thiên Giám tất phải ở vào chỗ đó. Kết hợp với ký ức của một số cụ già ở phố này cho biết thì chỉ mới cách đây bảy tám chục năm, ở trong phố Chợ Khâm Thiên, gần sang làng Trung Phụng có một cái gò đất cao, gọi tên là núi Thiên Đài. Phải chăng ngày xưa một bộ phận của Khâm Thiên Giám (ví dụ đài xem saochẳng hạn) đã dựng trên gò này?
So vào bản đồ Hà Nội 1831 thì lúc đó đường phố này cũng đã thành hình, đi qua các thôn sau (tính từ đông sang tây): Tương Thuận, Khâm Đức, Tô Tiền, Trung Tả, Quan Thổ và Xã Đàn. Ba thôn trên thuộc tổng Tiền Nghiêm, và ba thôn dưới thuộc tổng Hữu Nghiêm, đều ở trong huyện Thọ Xương cũ.
Những năm 1930 – 1945 là phố cô đầu, tiệm nhảy, sòng bạc nổi tiếng, phía sau phố là những túp lều xiêu vẹo của dân lao động nghèo nàn tăm tối. Những ngày đầu của cuộc Toàn quốc kháng chiến, sau khi thực dân Pháp bất ngờ đánh úp nhà dầu Sen (nay là nhà số 1 phố Khâm Thiên), tự vệ khu phố đã ba lần tập kích vị trí này, gây nhiều thiệt hại cho chúng và nhất là đã kìm chân không cho chúng tiến về ô Chợ Dừa thực hiện ý đồ đánh nống ra ngoại thành. Ngày ấy đền Trung Tả (trong ngõ cùng tên, chỗ nhà số 264 rẽ vào) đã trở thành trạm cứu thương của Liên khu III.
Sau này phố Khâm Thiên đã được đô thị hóa cao.
Ngày 26/12/1972, vào hồi 22 giờ 45 phút, Mỹ đã đem máy bay B.52 đến ném bom rải thảm suốt dọc dải phố này (và khu phố Chợ Khâm Thiên), làm chết 283 người, bị thương 266 người, phá hủy hoàn toàn 534 ngôi nhà và làm hư hỏng 1.200 ngôi nhà khác nữa.