关于师大附中的前身，最早可以回溯到日治时代的1937年（昭和12年、民国26年）4月1日，当时的日本政府在清代称为「十二甲」的大安区西北角假农业试验场部分用地所设置的“台北州立第三中学校”，并由大欣铁马担任校长。截至第二次世界大战结束日本战败投降，台湾光复为止，台北州立第三中学校的学生大都还是以在台日人的子弟为主，台湾籍的学生约只占1/10。
1945年12月5日，在光复后接手台湾的台湾省行政长官署之命令下，州立第三中学改名为“省立台北第三中学”，但又在来年1月25日改名“省立台北和平中学”。只是一般习惯上，许多民众仍会将建国中学（一省中）、成功中学（二省中）与和平中学一起合称“三省中”，或加上北一女中（今天的台北第一女中）、北二女中（今天的中山女中），合称为五省中。而在刚改名和平中学的这阶段中，该校主要是集中当时还留滞在台的日籍学生就读，这状况一直维持到1947年4月底时，政府将日侨加快遣送回国完毕后，甫告一段落。这段期间的和平中学原则上都还是聘用当初日治时代的教职人员，而主管的校长则也是来来去去的兼任职位，与后来正式由台湾方面接管后的和平中学，可说是只有一个名字与校址相同，但实际上渊源并不大。
1947年时，大陆地区政局不稳，当时有越来越多跟随政府来到台湾的大陆籍公教人员子弟，因此省教育处安排和平中学负责接收这批学生。初期这些学生被安排在借用自台北商职（今日的国立台北商业技术学院）的教室中上课，直到日侨子弟完全撤离后才迁回校内。凑巧当时的省立师范学院（今日的国立台湾师范大学）为了将来的学生实习与教育实验，正在筹备附属中学，因此向省教育处申请将和平中学改为师院附属中学，并于1947年8月1日新学年开始时，正式更名为“台湾省立师范学院附属中学”，同时设有高中部与国中部。除此之外，1949年10月时，师院附中也接手了国民革命军遗族学校约310个学生，俨然是当时外省子弟比例最高的学校。
1955年师范学院改制大学，1967年时又从省立改制为国立，附中也因此在来年随之改制成为“国立台湾师范大学附属中学”。但一直到1973年时，原在师大任教的教育系副教授黄振球转任师大附中的校长后，师大附中才正式开始与师大间产生较紧密的联系关系，例如校内的教师逐渐换用师大相关科系毕业的校友，行政系统也改聘用师大教育系或教育心理学系的毕业生，逐渐提高专业度。1979年，因应国中部即将再度开办，校名再次更改为“国立台湾师范大学附属高级中学”，并一直沿用至今。
附中虽然在创校初期（和平中学时代）曾有过初中部，但在1961年因应所谓“省办高中，市办初中”的政策，而停止招生，一直到1980年时国中部才恢复重办。
附中曾在1965年到1981年间招收过夜间部学生。除此之外，在1955年时，附中曾因应省教育厅的要求，为了因应疏散而在台北县木栅的沟子口（今日属台北市文山区境内）设立过木栅分部，但该分部在1968年台湾开始实施九年国民教育时，奉命归还给台北市政府，成为今日的台北市立实践国民中学。
校风与特色
有鉴于师大附中原本就是教育专业大学——师大——的附属实验中学，因此在校风上它与一般升学导向的其它公立高中较为不同。课程与编制的实验性很强，升学主义的气息较其它知名高中少，教育风格则是公认较活泼但遵守教育理论，但相对于其它顶尖的高中而言，这点也让附中在升学率方面的表现稍显吃亏。
制服与象征
民国79学年度（1990年-1991年）员生消费合作社所制作的「蓝天之子」纪念书包
由于在早期台湾的学生仍需接受军训教育，因此大部分公立高中的男生制服设计都是以卡其军训服为主。师大附中在72学年度（1983年）制定并开始使用浅蓝色上衣、深蓝色长裤的校服设计，成为台北几所主要公立高中里面换穿非卡其制服的先驱之一。在初期由于军训需要，蓝色制服是与卡其军训服依需求轮流使用，77学年度（1988年）时俗称「大盘帽」的硬圆军帽率先取消停用，而80学年度（1991年）又全面废止卡其军训服的使用，从此蓝色校服遂成为附中学生唯一样式的制服。至于女生制服，则是采白色荷叶领上衣搭配灰蓝色及膝窄裙之设计。
因为制服的蓝色与天空接近，且相较于台北市其它高中，师大附中校地广阔，因此附中学生常自称「蓝天之子」。50周年校庆（1997年）时，中正楼面上寓有浴火重生之义的两幅「火凤凰」瓷砖画，也成为附中的精神象征。
实验班与实验课程
除了一般标准招收的班级外，师大附中向来拥有非常多特殊用途的实验班，例如在1950年到1961年间曾招收过「四二制实验班」，是初中直升高中的六年一贯班级，与台湾所使用的标准三三制中学教育制度完全不同。1978年开办「科学教育实验班」（第一届为420与430班）用来测试新设计的相关课程之接受度，1980年开办「音乐教育实验班」（第一届为464班），1986年接受教育部的指定开办「数学及自然科学实验班」（第一届为625、626班）进行数理科的加强教学试验，1989年成立「美术教育实验班」（第一届为699班），2004年成立「语文资优班」，以上这些都是一般公立高中比较少见到的特殊班级制度。
「数学及自然科学实验班」是教育部立案的数理资优班。在校内习惯简称为「科教班」。目前一年招收三班共约一百人。科教班最具特色的课程，是一周有三小时的「专题研究」，学生依兴趣自行选组，分为数学、物理、化学、生物、信息科学、地球科学六组。专题研究教学强调科学精神，除了深入探讨各科内容外，也要求自行探索问题，设计并进行实验，参加科学展览与成果发表，老师在此时只担任从旁辅助的角色，培养学生自行解决问题的能力。许多学生也自行于台大、师大或中研院等大学与研究机构寻找可合作的实验室，提早体验实验室生活。
除了设置特殊的实验班外，附中也常常拿来试教新发展的各科教材，并且在确定接受度良好后才推广制订为全国的教育标准。
教育实习
除了是课程上的试验对象外，师大附中另外一个重要的功能是作为师大即将毕业的学生一个教育实习练习场。虽然其它学校每年也都会有发配到一些实习教师的名额，但是只有师大附中的教育实习是全面性的，遍及各科全都是由实习教师执教，原本的任课老师则在此期间暂时作为监督与教学评鉴负责人。
男女兼收
虽然在台湾男女生混合招收的高中并不少见，但是在传统上被称为“北联”的台北公立高中联招中，排行最前的六所老牌高中（男生部分为建国，附中，成功，女生部分则为北一女，中山与景美）只有附中一所是同时招收男生与女生的。1960年时附中停止招收女生，一直到1980年时高中部的音乐实验班成立后，才重新又开始招收女性的新生，但为数极端稀少。1983年时高中部正式招收女生，但仍采男女分班的方式上课，只有特殊实验班及很少数特例状况（例如分类组拆班并班造成男生班女生班分班人数不足时），才会有男女生合班上课的情况。
附中的女生占全校学生比例向来稀少，目前一届约有6班女生班，男女比例约2:1～3:1。
累进制班号
师大附中有在台湾独一无二的累进班号编制，这制度是在1950年时才开始，在此之前采用的方式与其它学校并无不同，每一年级的班级都以甲、乙、丙、丁……的天干为名排序，每届都会有重复同名的班级，需要另外提供毕业的届次才知道年级落差。但是在累进班号制启用后，改以单纯的一个数字来作为班级，每届新班继续累加不归零，除了极少数的状况外甚少有重复（一直到2000年为止，也只有七次重复的案例）。至于累进班号制度启用前就已经毕业的九班学生，则采毕业后追赠班号的方式，成为高1班到高9班。
由于师大附中的班号早已累计突破一千个班级，因此目前的班号是四位数的。高中部的特殊实验班之班号与一般班并无差别，但是国中部与高中部的班号是分开计算的。高中部一年约新增二十七班，国中部一年约新增七班。
校徽
据部份附友说，原始的校徽是白色的同心圆，外圈是粗线条，内圈为细线条，分割为五瓣，象征校训的「人道、健康、民主、科学、爱国」，圆心嵌上方体的附中字样。在一些较旧的设备上可以看到。
民国六十年中兴堂兴建完成时，舞台上放置一座大讲台，正面并绘制一枚大校徽，却是五花瓣的梅花形状。从此校旗、校徽以此为准变成梅花瓣了。
校训
人道、健康、科学、民主、爱国
黄澄校长于民国40年（1951年）12月开始向全校师生征集意见，经汇整之后，于民国41年（1952年）2月12日由校务会议正式通过，沿用至今，为「附中精神」的核心。
知名校友
刘国松-高16班，画家。
连战-高24班，前台湾地区副领导人，前中国国民党主席。
许世楷-高24班，台湾“独立”运动参与者，曾任驻日“代表”。
陈履安-高30班，前“监察院院长”。
古龙-初36班，本名熊耀华，武侠小说家，与金庸齐名。
毛高文-高37班，前“教育部部长”、“考试院副院长”。
刘兆汉-实验1班，“国立”中央大学校长。
张文英-实验1班，前嘉义市市长，“总统府国策顾问”。
阮大年-高41班，前“国立”交通大学校长、中原大学校长、东海大学校长。
王文兴-高41班，作家，台大外文系退休教授。
李祖原-高41班，建筑师。世界最高楼台北101主持建筑师。
李家同-高41班，学者、前“国立”暨南大学校长、静宜大学校长。
吴成文-实验4班，“国家卫生研究院院长”，台湾“中央研究院”院士。
吴伯雄-实验5班，前“内政部长”，“总统府资政”，中国国民党副主席。
戴东原-实验5班，前台大医院院长。
谭崇仁-实验5班，IBM超级计算机深蓝研发团队负责人。
徐小波-实验5班，律师，前理律法律事务所资深合伙人。
虞有澄-实验5班，INTEL总公司资深副总裁。
苗永庆-高55班，前台湾地区海军总司令
王赣骏-高57班，科学家，第一位上太空的华人。
张博雅-实验10班，前嘉义市长，前“卫生署长”，前“内政部长”
刘兆玄-实验12班，前“行政院副院长”，前“交通部长”，前“国立”清华大学校长、东吴大学校长
蒋勋-木联14班，画家、诗人、作家。
郭松棻-（1938-2005），作家，保钓运动代表人物之一。
周渝-高100班，紫藤卢负责人。
夏铸九-高103班，台大城乡所教授。
李沧涵-实验27班，建筑师。
温世仁-实验28班，企业家，教育推广家。
司徒达贤-实验29班，管理学家。
张安乐-高132班，白狼，竹联帮重量级人物，曾因牵涉江南案在美服刑。
李乾朗-高151班，古建筑学家。
李双泽-高157班，民歌运动发起人之一。
罗智成-高282班，诗人。现任台北市新闻局局长。
袁定文-高286班，棒球评论家。因拥有美国匹兹堡大学地质学博士学位，投入棒球评论工作，棒球界称之为袁博士。
张洪量-高363班，歌手，牙医师。
林耀德-（1962-1996），高398班，已故诗人、作家。
唐湘龙-高417班，记者，政治评论家。
罗文嘉-高509班，前民主进步党“立法委员”，前“客家委员会”主任委员。
王馨平-高569班，女歌手，演员王羽之女。
褚士莹-高638班，作家。
鲍佳欣-高711班，英文小魔女。
刘真-高729班，舞蹈家。
朱学恒-高738班，魔戒中文版译者。
朱致贤-高746班，自由作家。曾为《音乐时代》、《新朝艺术》主笔，编着有《杜撰的城堡——附中野史》，着有《指挥大师亨利‧梅哲》。
五月天乐团-MayDay五月天乐团的五位成员中有四位是附中毕业生，包括主唱阿信（陈信宏，高778班(美术班)）、团长兼吉他手怪兽（温尚翊，高776班）、吉他手石头（石锦航，高818班）、贝斯手马莎（蔡升晏，高819班），他们原本就是以同属师大附中吉他社成员的缘由，进而组成乐团出道。
严俊杰-国108班，小钢琴家。
虞有澄-现任OneAngstrom投资公司董事。曾在英特尔（Intel）工作近30年，在英特尔创立「亚洲文化整合社」（AsianCultureIntegration）。
陈子玮-高872班，中华台北旱地冰球代表队队长。
轻松玩乐团-RelaxOne由三位吉他社团员组成
强辩乐团-吉他手小花（黄壮为高863班）及鼓手小猴（邵崇柏高862班）
苏打绿-主唱青峰（吴青峰高937班）&贝司手馨仪（高935班）
