Ulica rozpoczyna swój bieg od skrzyżowania z ulicą Bytkowską w Kolonii Agnieszki. Następnie biegnie przez osiedle Józefowiec, krzyżując się między innymi z ulicami: Mieczysława Karłowicza, Gnieźnieńską, prof. J. Mikusińskiego, Szczecińską. Ulica kończy bieg przy skrzyżowaniu z ulicą Słoneczną i ulicą Energetyków, które należy do miejsc o podwyższonej wypadkowości.

Ulice Józefowska i Bytkowska, z dość regularnie uformowaną siatką ulic poprzecznych stanowią zastany, ukształtowany historycznie układ komunikacyjny dzielnicy, pochodzący z drugiej połowy XIX wieku. Wzdłuż dzisiejszej ulicy Józefowskiej powstały pierwsze zabudowania osady Józefowiec. W 1901 na rogu dzisiejszych ulic Józefowskiej i Szczecińskiej wzniesiono budynek szkoły powszechnej, którego projektantem był architekt Eugen Vogt.

W latach 1922−1945 ulica nosiła imię Józefa Bedera. W okresie niemieckiej okupacji Polski w latach 1939−1945 Josef Beder Straße. Józef Beder był dziekanem bytomskim, inspektorem szkolnym oraz proboszczem z parafii w Dębie. Z jego inicjatywy powstał wełnowiecki kościół św. Józefa Robotnika; na jego cześć wprowadzono także nazwy części Katowic: Józefowiec oraz Bederowiec. Na przełomie XIX i XX wieku pod dziesiejszym numerem 119 wzniesiono szpital hutniczy dla pracowników Huty Hohenlohe. W latach 1907−1909 drogę wybrukowano. W początkach lat trzydziestych XX wieku pomiędzy ulicą Bytomską a ulicą Józefowską wybudowano kolonię tzw. "domków wojewódzkich" wraz z ogródkami dla urzędników administracji państwowej.

W czasach Polski Ludowej część drogi od skrzyżowania z ul. Bytomską do skrzyżowania z ul. Bytkowską (ówczesna ul. Mariana Buczka) nosiała nazwę ulica PKWN.

W latach sześćdziesiątych XX w. w rejonie ulic Szczecińskiej, prof. J. Mikusińskiego, Józefowskiej, Bytomskiej, L. Waryńskiego, Jesionowej i Owocowej wybudowano osiedle, złożone z bloków mieszkalnych. W 1991 rozpoczęło się przewożenie archiwaliów Archiwum Państwowego w Katowicach na tereny mieszczącej się na Wełnowcu przy ul. Józefowskiej 104, a przeniesionej do Gliwic, filii Ośrodka Szkolenia Specjalistów Wojsk Radiotechnicznych z Chorzowa (JW 3150). W marcu 1991 Archiwum Państwowe oficjalnie przejęło byłe koszary o obszarze 6 ha wraz z budynkami o powierzchni ok. 10 000 m.