El nombre de la estación procede directamente de la Gran Vía situada sobre ella. Metro de Madrid sitúa la estación en la confluencia de la calle Montera con la Gran Vía, en el entorno de la Red de San Luis, un punto central donde se encuentran Montera, Fuencarral y Hortaleza. En términos cotidianos, el nombre es literal: es la estación de Metro de la Gran Vía madrileña.
La historia anterior es la apertura de la propia avenida. El centro histórico de Madrid conservaba calles estrechas y congestionadas, y los reformadores del siglo XIX buscaban una vía amplia de este a oeste que conectara la calle de Alcalá con el lado occidental de la ciudad sin obligar a pasar siempre por la Puerta del Sol. El arquitecto Carlos Velasco presentó una propuesta temprana en 1886, pero el proyecto que dio forma a la avenida moderna fue desarrollado después por Francisco Andrés Octavio y José López Salaberry.
Las obras comenzaron solemnemente el 4 de abril de 1910, cuando Alfonso XIII inauguró los derribos en la casa rectoral de la iglesia de San José. La guía educativa municipal de Madrid describe un trazado de unos 1.316 metros dividido en tres tramos, con anchuras de 25 a 35 metros. Su construcción eliminó, recortó o transformó calles y edificios antiguos, sustituyendo parte del casco viejo por un escaparate moderno de comercio y arquitectura.
El Metro llegó cuando la nueva avenida todavía estaba en obras. La ficha histórica de Metro de Madrid registra la apertura de la estación de la línea 1 el 17 de octubre de 1919, dentro del primer tramo Cuatro Caminos-Sol; la documentación de proyecto también empleaba Red de San Luis, el nombre tradicional del lugar. Por la profundidad de la estación, Antonio Palacios diseñó un templete de acceso con ascensor, desmontado más tarde y recreado en la reforma inaugurada en 2021.
El nombre refleja también la historia política de Madrid. En 1940 la estación fue rebautizada José Antonio, en paralelo a la denominación franquista de la avenida en honor de José Antonio Primo de Rivera. El Ayuntamiento democrático de Madrid cambió de nuevo el nombre de la calle a Gran Vía por acuerdo municipal del 25 de enero de 1980, y la estación de Metro recuperó su nombre original el 27 de junio de 1983. El origen, por tanto, es seguro, pero la cronología debe separar el cambio de nombre de la calle y el de la estación.