Como casi todas las puertas de la ciudad posee ésta un origen muy antiguo, remontándose sus orígenes posiblemente a época visigoda. Probablemente la Puerta del Cambrón sea la que en documentos medievales es mencionada con el nombre de Puerta de los Judíos, favoreciendo esta suposición su proximidad a la judería toledana. La vox pópuli bautizó al monumento con su sabido nombre a consecuencia del crecimiento de unas zarzas, llamadas cambroneras, autóctonas de sus alrededores.
En 1571 el edificio sufrió una reconstrucción, siendo rebautizado con el nombre de Puerta de Santa Leocadia, pero la tradición popular no olvidó su habitual denominación. En dicha restauración fueron reutilizados distintos materiales tomados del cercano cementerio musulmán de la Vega, y colocada una imagen de la santa patrona presidiendo la portada interior.
Si el Puente de Alcántara era el punto de peaje para los viajeros llegados del norte, la Puerta del Cambrón lo era para los llegados desde el oeste y los Montes de Toledo, siendo su alcaide el Marqués de Montemayor por derechos hereditarios. Una inscripción casi idéntica a otra del Puente de Alcántara constata la función recaudatoria de la puerta.
No es esta la única afinidad que asemeja el Puente y la Puerta, ya que también se regían por el mismo horario, siendo abiertas sus puertas al tañer de las campanas de la Concepción al amanecer, y cerradas al anochecer, con el toque del Avemaría en la Catedral. En 1936 fue seriamente dañada al sufrir un incendio, daño del que posteriormente fue recuperada.
