In urgeschichtlicher Zeit war diese Passfurche sumpfig und von drei kleinen Seen geprägt. Seit der Bronzezeit nutzten Händler, Boten, Abenteurer und andere den Weg, um ihre Waren in Tragkörben, mit Lasttieren oder vierrädrigen Wagen zu transportieren. Als die Römer um 15 v. Chr. das Land im Gebirge in Besitz nahmen, teilten sie den Brennerweg der Provinz Rätien zu. Römische Soldaten entsumpften auf ihrem Marsch über den Brenner die niedrige Talfurche, legten Holzbrücken über moorige Stellen, die fortan einen Durchzug ermöglichten.
Von den drei Seen – einer lag zwischen den Ortsteilen St. Valentin und Kerschbaum, ein weiterer im Bereich des Wolfenhofes und der dritte am Nordrand der Talfurche, 1229 erstmals als „lacus in Mittenwalde“ erwähnt – blieb nur der zuletzt genannte erhalten. Der Brennersee, auch Dornsee genannt, verlor zwar durch den Bau der Brennerautobahn ein beträchtliches Stück seiner Fläche, erinnert je-doch noch heute an die moorige, von Seen durchzogene Talfurche von einst. Unter dem römischen Kaiser Septimus Severus (193–211 n. Chr.) wurde der erste Brennerweg zur Heeresstraße ausgebaut und mit unregelmäßigen mit Geleisrillen gepflastert, um den Pferden Kraft zu ersparen. Daran erinnern ein römischer Meilenstein beim alten Zoll in Lueg sowie die 1935 entdeckten Reste einer Geleisestraße, die beim Bau der Brennerautobahn am Brennersee freigelegt wurden. Ab dem 2. Jahrhundert wurde die Strecke zu einer wichtigen Militärstraße in Richtung Regensburg ausgebaut.
Um 590 drang während der Völkerwanderung der Stamm der Bajuwaren über den Brenner in den Süden vor und übernahm die Straßenzüge der Römer. Zur Zeit Karls des Großen erlebte der Brennerweg eine neue Blütezeit. 140-mal sind die Kaiser nach Rom gezogen, 66-mal wurde der Brenner als Route gewählt. Für die Instandhaltung der Landesstraßen mussten in diesen Jahren die Herzöge und Fürstbischöfe sorgen. Im Jahr 806 wird der Brennerweg noch als ”exitus” und ”introitus” “per alpes Noricas” bezeichnet. Laut spärlichen Überlieferungen aus dem frühen Mittelalter waren es wieder die unruhigen politischen Verhältnisse, die wesentlich zum Verfall der Brennerstraße beitrugen. Erst als der aufblühende Warenhandel zwischen Venedig und der Fuggerstadt Augsburg auch für Tirol zur zusätzlichen Einnahmequelle wurde, gerieten die Landesfürsten unter Zugzwang.
Der Bozner Kaufmann Heinrich Kunter erhielt 1314 den Auftrag, den Weg „bey dem Eysackh zwischen Bozen und Trostburg“ fahrtauglich zu machen. Dank des kaiserlichen Zollregals von 1305 konnte Kunter die Investitionskosten durch die Einhebung einer Wegmaut abdecken. Im Wipp- und Eisacktal herrschte in Wirtshäusern und rund um die Zollstätten, derer es allein zwischen Bozen und Innsbruck insgesamt 14 gab, reges Treiben. Damals betrugen die Zolleinnahmen der Straßen über den Brenner und Reschen 25 % aller Landeseinnahmen. In den nachfolgenden Jahren förderten vor allem die Herzöge Rudolf IV. (1363-1365), Friedrich IV. (1406-1439) und Erzherzog Sigmund der Münzreiche (1439-1490) die Brennerstraße, besonders im Wipptal. In der Zeit von Kaiserin Maria Theresia um 1770 und später um 1840 wurde diese Verbindung stark verbessert und erhielt im Wesentlichen die Trassenführung von heute. Zu der Zeit wurde auch die Stephansbrücke über den Ruetzbach gebaut. Die Steinbogenbrücke hat mit ihrem Halbkreisbogen eine lichte Weite von 43,62 m und war damals die sechstgrößte Brücke Europas. Mit seinem Neubauprojekt im Abschnitt Innsbruck-Matrei hat Ingenieur Josef Duile die gefürchtete Steigung von Schönberg entschärft. Der gebürtige Vinschger hat für die ingenieurwissenschaftliche Ausrichtung im Straßenbau neue Maßstäbe gesetzt.
Mit der Inbetriebnahme der Brennerbahn (1867) nach den Plänen von Ingenieur Karl von Etzel verlor der Straßenbau zunehmend an Bedeutung. Erstmals kam die Angst auf, Tirol könnte umfahren werden. Finanziert wurden fortan nur noch dringend notwendige Instandhaltungsarbeiten, etwa das Asphaltieren, um der Staubplage Herr zu werden. Der Ausbruch des Ersten Weltkriegs verhinderte die Umsetzung eines umfangreichen Straßenbauprogramms in Tirol. Über die Brennerstraße lief der gesamte Nachschub für die österreichisch-ungarische Südarmee, bis 1918 der Rückzug erfolgte. Die Straße war derart beschädigt, dass streckenweise nur im Schritttempo gefahren werden konnte. Auch nach dem Zweiten Weltkrieg mussten infolge der Kriegsschäden Brücken verstärkt, Trassen korrigiert und der Asphaltbelag erneuert werden.
Bis in die 1950er-Jahre schluckte die gute, alte Brennerstraße noch den aufkommenden Verkehr. Doch mit dem zunehmenden Lkw-Transport war sie bald überfordert. Zählte man um 1928 noch 240 Fahrzeuge pro Tag, einschließlich der Pferdefuhrwerke, so standen die Autos in den 1960er-Jahren auf der Brennerstraße bereits im Stau. Erst die 1974 auch auf der Südseite des Brenners fertiggestellte Autobahn brachte die lang ersehnte Entlastung. Den Weg für den Bau der vierspurigen Autobahn frei gemacht haben Politik und Verwaltung im Zusammenspiel mit der florierenden Wirtschaft – in der Überzeugung, hiermit eine Verkehrsentflechtung herbeizuführen.