Lors du percement de la voie, les fondations partielles d’une construction d’époque romaine sont mises à jour au niveau des nos 7 à 11 et des nos 10 à 12. Selon les archéologues, il s’agirait de vestiges d’un bâtiment annexe d'un temple de Mercure, situé entre le Hameau des Artistes (no 11) et le passage du no 21 [2].
L'avenue Junot a été créée entre 1910 et 1912 dans une zone connue sous le nom de « maquis de Montmartre[3] » qui s'étendait jusqu'à la rue Caulaincourt. Le maquis était un domaine occupé par des clochards, des chiffonniers et des bohèmes[4]. La voie s'appelait initialement « avenue de la Tempête ».
L'avenue a été construite en deux temps. D'abord la partie comprise entre la rue Simon-Dereure et la rue Caulaincourt, puis, en 1912, entre la rue Girardon et la rue Simon-Dereure. Dans cette partie, l'avenue a été tracée entre deux impasses plus anciennes, l'impasse Girardon, ancienne impasse de la Fontaine-Saint-Denis, dont il subsiste la partie nord avec l'atelier de Gen Paul, et l'impasse des Deux-Frères, dont il subsiste la partie sud, aujourd'hui chemin privé menant au moulin de la Galette ou Blute-Fin.
Cette partie sud de l'impasse des Deux-Frères donnait accès à l'ancienne ferme Debray du XVIIIe siècle. Les Debray avaient été des meuniers et des fermiers pour les Dames de l'abbaye de Montmartre depuis le XIVe siècle. Au moment de la vente des biens nationaux, ils rachetèrent les moulins qui sont réunis par une grande maison. En 1833, le « petit père Debray » transforma sa ferme et ses moulins en bal public du moulin de la Galette. Cette partie de l'impasse des Deux-Frères a été intégrée dans la résidence privée du moulin de la Galette où se trouvent le moulin Blute-Fin et la mire du Nord.
Face à la rue Simon-Dereure se trouve l'entrée de la villa Léandre, impasse bordée d'anciennes villas lui donnant une apparence villageoise.
No 2 : ancien atelier de Gen Paul, artiste peintre et graveur français qui y a vécu entre 1917 et 1975.[réf. nécessaire]
No 11 : voie privée du Hameau des artistes, bordée de villas et d'anciens ateliers d'artistes, où résida le peintre Charles Kvapil (1884-1957)[5]. Elle se termine par un escalier débouchant à l'arrière sur la rue Lepic.
No 12 : emplacement approximatif du moulin à Poivre. Édifié vers 1865 pour le compte de Pierre-Auguste Debray, c’est le dernier moulin à vent construit à Paris. Le percement de l’avenue entraîna sa destruction[6].
No 21 : ce numéro n'existe pas ou plus, il est néanmoins célèbre grâce au film L'assassin habite au 21 de Henri-Georges Clouzot qui situe à ce numéro de l'avenue le lieu principal de l'intrigue macabre, la pension de famille Les Mimosas.
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