Начинается от набережной реки Волги (пересечение с Лесной улицей), круто поднимается вверх по берегу, пересекает улицу Циолковского, Ново-Садовую, проспект Ленина. На пересечении с улицей Мичурина прерывается и продолжается вновь уже после улицы Коммунистической, пересекается с Чернореченской улицей и заканчивается пересечением с проспектом Карла Маркса.
Бывшая Свято-Никольская, Ново-Никольская — по названию Николаевского мужского монастыря, находившегося на этой улице.[1]
С 15 июля 1925 года — улица Рыкова, с 26 марта 1937 года — Ежова, 5 мая 1939 года переименована в честь советской лётчицы Полины Осипенко.
На берегу реки Волги, откуда начинается улица, в конце XIX века стояла паровая мельница муромского купца Зворыкина, позже её приобрёл купец Шадрин.
Современный вид улица приобрела в 1970—1980 годах, когда были построены многоэтажные здания, в том числе 20-этажный монолитный дом на пересечении проспекта Ленина. Этот дом построен по типовому проекту архитекторов А. Белоконя, О. Третьякова, В. Бранденбурга и инженеров А. Лурье и Е. Зафериди. Из-за своеобразного вида фасада, состоящего из переплетения мелких «зубцов»-балконов, расположенных в шахматном порядке, самарцы неофициально называют этот дом «рашпилем», «напильником», «тёркой», «кукурузой».[2][3]
443110: чётные дома № 2-34, нечётные дома № 126—132
443013: чётные дома 134—144, № 39,41
443096: № 11