Cette rue a reçu le nom d'un village du Languedoc-Roussillon, dans le sud de la France. D'abord appelé « Villa Siguarii » puis « Valsiger » (vallée sûre), l'endroit prend le nom de Montolieu en 1146. Le territoire de ce village perché marque alors la limite de la culture de l'olivier. Y subsistent aujourd'hui des vestiges de la période gallo-romaine, entre les 1er et 5e siècles de notre ère, ainsi qu'une partie des remparts et du château datant du Moyen Âge.

Anciens toponymes
La rue de Montolieu portait auparavant le nom de rue Montolieu, adopté le 19 juillet 1976. Ce nom avait été attribué à deux voies de communication : la 23e Rue, nommée ainsi le 6 août 1962 en remplacement de 23e Avenue, qui datait probablement des années 1930; une partie de la rue parc Cantin ou place Cantin, nommée ainsi le 6 août 1962 en remplacement d'avenue Cantin, nom adopté le 10 mai 1933. Avant cette date, l'avenue Cantin portait le nom de rue de la Station, attribué vraisemblablement en 1931, au moment de l'ouverture de la rue, à proximité d'une station ferroviaire.

L'avenue Cantin tenait son nom de Charles Cantin, commerçant et entrepreneur forestier, devenu le premier maire de Val-Saint-Michel en 1933. Il occupe ce poste jusqu'en 1941, puis à nouveau de 1949 à 1951. C'est vers 1912 que Charles Cantin, originaire de Québec, découvre la région, plus précisément le rang saint-Michel (auj. une partie du boulevard Pie-XI) où vivent alors une dizaine de familles. Charmé par la beauté de l'endroit, il s'y fait construire une maison d'été en 1914. Il achète aussi une grande parcelle de terrain à l'un des habitants, Charles Savard. Plusieurs familles de Québec viennent le rejoindre, si bien que dans les années 1920 le rang compte une cinquantaine de résidences d'été, en plus d'une gare, d'un bureau de poste et d'une épicerie. À l'instigation de Cantin, les estivants forment le projet de créer une entité municipale autonome en soustrayant le secteur du rang Saint-Michel à la municipalité de Saint-Gérard-Majella, dont il relève. Malgré l'opposition de plusieurs résidants permanents, la séparation a lieu en 1933 : une nouvelle ville vient de naître, sous le nom de Val-Saint-Michel. L'année suivante, Charles Cantin fait aménager la plage derrière sa résidence, sur les bords de la rivière Nelson. Cette plage est très fréquentée par les estivants jusque dans les 1950. En 1974, Val-Saint-Michel fusionne avec Bélair pour former la ville de Val-Bélair.