Elle doit son appellation de Sainte-Croix par la présence d'une chapelle située à proximité. Pour permettre le passage des charettes, elle est agrandie en 1737. A la Révolution une flamme tricolore avec bonnet phrygien est dressé au sommet de la porte. Un révolutionnaire voulant démolir cette porte avec un pic, grimpa jusqu'à son sommet, mais perdant l'équilibre il tomba. Blessé mortellement il déclara "mourir heureux" puisqu'il mourrait pour la liberté.
Le 4 septembre 1870, la proclamation de la République lui donnera son appellation actuelle : Porte du 4 septembre.
Le 16 septembre 2016 est inauguré l'espace 4o9, salle de spectacle où se mêlent théatre, musique et cinema.