Dans les années 1930, et après plusieurs propositions, le projet de tunnel sous la Croix-Rousse de Lucien Chadenson et de M. Thiollère, respectivement ingénieur de la Ville de Lyon et ingénieur des ponts et chaussées est adopté par la ville. Le tunnel est localisé sous le plateau de la Croix-Rousse, débouchant de part et d'autre de l'avenue de Birmingham (4°), prolongement du pont Clémenceau, au pont de Lattre de Tassigny (1er) formant un grand axe de circulation est-ouest. Le projet démarre au début de 1939 et se poursuit jusqu'en 1952, année de l'inauguration. Le projet répond alors à un besoin important de la ville de Lyon de désengorger le secteur Terreaux - Bellecour, point de convergence de pas moins de douze routes nationales. Les déblais évacués sont en une grande partie utilisés à empierrer l'avenue Jean Mermoz et le port Édouard-Herriot.

À partir de 1949, les 5 puits de ventilation sont creusés et l'aménagement du tunnel routier se poursuit avec les éclairages, les revêtements et la signalisation entre autres. Édifiée au XIXe siècle, l'église Saint-Charles est alors située devant la future entrée côté Saône. Elle est détruite en 1951 et reconstruite l'année suivante au nord de l'entrée du tunnel. Le tunnel est inauguré par Édouard Herriot le 19 avril 1952.

Entre 2009 et 2013, d'importants travaux de rénovation du tunnel routier sont effectués. La chaussée, l'assainissement, la signalisation sont totalement refaits, le tunnel routier est également mis aux normes en vigueur : un accès de secours tous les 150 m et une ventilation assurée par les cinq tours de ventilation/aérateur (conduits verticaux) rénovés débouchant sur le Plateau de la Croix-Rousse. Les galeries de secours donnent sur le nouveau tunnel (modes doux) qui sert ainsi de tube d'évacuation en cas de sinistre. Ce second tunnel modes doux ouvert en décembre 2013 est utilisé durant les travaux de rénovation du tunnel routier pour stocker les matériaux nécessaires à cette intervention. L'accès du tunnel routier est toujours limité à 50 km/h et interdit aux poids lourds. Un radar automatique côté Rhône (et non côté Saône comme avant la rénovation) est installé à l'intérieur du tunnel.

Le nouveau tunnel dédié aux modes doux, ouvert en 2013, est une artère originale de la ville. Large de 10m et parallèle au tunnel routier existant, il accueille 3 voies : un espace dédié aux piétons et deux voies situées de part et d’autre, destinées aux vélos et aux bus. En janvier 2014, 400 piétons et 1 000 vélos empruntent le tunnel "modes doux" chaque jour. Des séquences animées projetées sur les parois sont installées par l’atelier Skertzo (spécialisé dans la création de scénographie urbaine pour mettre en valeur des monuments).

Les 5 puits de ventilation sont creusés en 1949. L'usine de ventilation 1 est localisée rue Chazière dans le 4e arrondissement de Lyon). (cf les fiches des 4 autres usines de ventilation)