Foi o Prefeito Pereira Passos que decidiu construir ao longo da praia uma rua de serviço. O nome Avenida Atlântica foi sugerido pelo próprio Pereira Passos. Os planos foram aprovados pelo Decreto Municipal nº561, de 4 de novembro de 1905, sendo as obras iniciadas sob a direção do engenheiro José Américo de Souza Rangel, autor do projeto. A avenida tinha apenas quatro metros de largura. (É de se notar que existiam apenas 150 automóveis na cidade.) As obras se prolongaram até 1908, sendo inaugrada pelo Prefeito Souza Aguiar.
Em 1910, dado o aumento da quantidade de automóveis e a crescente popularização da prática do banho de mar, a avenida mostrou-se muito acanhada, sendo alargada para 19 metros pelo Prefeito Bento Ribeiro. A obra só foi concluída em 1918, já sob a administração de Paulo de Frontin. Em 1920, a avenida já possuia 116 edificações, sendo 32 térreos. Nessa época, uma ressaca destruiu o calçamento, que foi refeito no período 1921/1922. Outra ressaca obrigou a se refazer a orla. Decidiu-se, então, reforçar a mureta com um respeitável alicerce de concreto, sendo concluída em 1924, ocasião em que se resolveu dotar a praia de postos de salvamento. Os guarda-vidas ficavam no alto de postes de concreto.
Em 1934, parte do morro do Inhangá que ainda chegava à Av. Atlântica foi cortado para aconstrução da piscina do Copacabana Palace. Em 1951, o que havia restado dessa pedra junto ao Hotel foi retirado para a construção do grupo de edifícios Chopin, Balada e Prelúdio.
De 1969 a 1971, grande obra foi realizada pelo Governador Negrão de Lima, por sugestão de Lúcio Costa e projeto do engenheiro Raimundo de Paula Soares. Sobre a areia foram construídas duas pistas de rolamento com um calçadão central sob o qual instalou-se o Interceptor Oceânico da Zona Sul, a maior obra de esgotamento sanitário até então feita na cidade. Todo o espaço até então usado pela antiga avenida e suas duas calçadas transformou-se em largo calçadão junto aos prédios; o atual estacionamento fica sobre o que era a areia da praia. Esta teve sua largura ampliada, com areia retirada do fundo do mar por dragas. Os mosaicos dos calçadões foram desenhados por Roberto Burle Marx, utilizando pedras de três cores, representando os povos que formaram a população brasileira. O calçadão junto à areia manteve o antigo desenho, oriundo de Portugal, uniformizando a orientação e ampliando o tamanho das ondas, fazendo-as condizentes com a largura da nova calçada.
Em 1975, foram construídos novos postos de salvamento, projetados pelo arquiteto Sérgio Bernardes. Na administração do Prefeito Saturnino Braga (1986-1988) foram plantados grupos de coqueiros na areia e, na de Marcelo Alencar (1983-1986), construídos quiosques fixos e uma ciclovia.
A via que começou em 1905 como simples rua de serviço, transformou-se em monumental avenida, que projeta o nome do Rio de Janeiro pelo mundo.
Nas fotos pode-se ver a Pedra do Inhangá ao lado do Copacabana Palace, antes da construção da piscina, e, na vista aérea, a retirada final para a construção do grupo de edifícios Chopin, Balada e Prelúdio. Abaixo, as fotos que mostram a Avenida nos anos 1950 e, depois do alargamento, nos anos 1970.