Hasta finales del siglo XVIII no fue más que una pequeña vía que constituía el límite de la expansión de la ciudad hacia el este, iniciada por el ingeniero Colosía. En su extremo sur, junto a los muelles, había un muelle saliente que en los planos tenía forma de martillo, por lo que la calle, que no tenía nombre, recibió el nombre popular de "del Martillo".
Plano del ensanche de Santander por Agustín de Colosía
Empezó a ser urbanizada en 1828 con el proyecto del ingeniero Guillermo Calderón. El nombre actual fue aprobado en 1909 como homenaje a Marcelino Sanz de Sautuola, investigador y estudioso de las cuevas de la región, especialmente de las de Altamira. Su hija María fue quien descubrió las famosas pinturas de Altamira. La casa solariega de Marcelino Sanz de Sautuola se conserva y se encuentra en la esquina con la calle Pedrueca (actualmente pertenece a la Fundación Botín).
En 1892 se inaugura el llamado "tren de Pombo" o "del túnel", el pequeño tranvía a vapor que comunicaba el centro de la ciudad con El Sardinero a través del túnel excavado bajo el Alto de Miranda. El recorrido del tren empezaba en la calle del Martillo, junto al Muelle. Tres años después, en 1895, se inaugura el tranvía a Miranda, cuyo recorrido empezaba en el mismo lugar. El tranvía a Miranda empezó siendo de tracción animal y fue electrificado en 1912.
Como esa parte de la ciudad se salvó del incendio de febrero de 1941, la calle conserva su aspecto original, salvo unos edificios modernos construidos al final de su acera este.
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