En juillet 1672, François Dollier de Casson, supérieur du Séminaire de Saint-Sulpice, redessine la trame urbaine de Ville-Marie. Il souhaite ainsi faciliter l'accès à l'église Notre-Dame que l'on veut construire au coeur de la nouvelle grille et régulariser le développement de la ville selon un plan orthogonal. Accompagné de l'arpenteur et greffier Bénigne Basset, Dollier définit les nouvelles rues, leur donne des noms et appose des bornes.

La rue Saint-François-Xavier fait partie des rues tracées par Dollier de Casson. À l'origine, la rue part de la place d'Youville actuelle pour mener jusqu'à la rue Notre-Dame. Dollier avait nommé la rue en l'honneur de son saint patron, Saint-François, mais Mgr de Laval, évêque de Québec demandera par la suite que la rue soit renommée en l'honneur de Saint-François-Xavier (1506-1552) missionnaire jésuite mort en Chine. En 1683, la rue est prolongée à travers le terrain de Nicolas Godé fils jusqu'à la rue Saint-Jacques. Lors de la démolition des fortifications au début du XIXe siècle, la rue est prolongée jusqu'à la rue Saint-Antoine vers le nord. La rue devait avoir 18 pieds français de largeur (5,4 mètres), mais cette voie a une largeur variable selon le tronçon. Entre 1866 et 1868 la rue sera élargie du côté ouest au nord de la rue de l'Hôpital jusqu'à une largeur moyenne de 10,5 mètres.