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.
Располагавшиеся по обе стороны улицы многочисленные двухэтажные кирпично-бревенчатые дома были снесены в 1960—1980-е годы, на их месте появились типовые 12-этажки.
На всём протяжении по улице Гастелло проходит маршрут автобуса № т32, соединяющий ближайшие к улице станции метро «Сокольники» и «Электрозаводская». Кроме того, от Электрозаводского моста до улицы Матросская тишина по улице проходит маршрут автобуса № 78. До 28 апреля 2017 года ходил троллейбус № 32 (заменён автобусом т32). Со стороны Елизаветинского дворца, за Электрозаводским мостом, расположена платформа «Электрозаводская» Рязанского направления МЖД и одноимённые станции метро.