1902年，浙江省湖州中学前身由湖州府知府锡守纶奉命筹备创办，定名“湖州府中学堂”；承袭湖州爱山书院原校址、校舍。

1905年，科举制度废除，学校教育始行，中学学制为五年（癸卯学制），增设史地、算学、英文等课程。

1906年，同盟会会员沈谱琴先生担任湖州府中学堂监督，并在爱山书院旧址增设师范传习所（后称师范学堂），沈谱琴同时兼任师范学堂监督和程安高等小学堂堂长。是年冬公开招生。沈谱琴先生创办于1901年的原私立志正学堂学生，全部转入湖州府中学堂学习。

1909年，湖州府中学堂改名为“浙江省立第三中学堂”。

1911年11月6日晚，沈谱琴、陈振甫等率领学生军起义，攻占府衙门，光复湖州。

1912年3月，“浙江省立第三中学堂”改称“浙江省立第三中学校”。学校迁址天宁巷的天宁寺，整理天宁寺房屋为校舍，是年暑假招收新生，爱山书院旧址，由原校长沈谱琴又续办至1916年止，改名为县立吴兴中学校，两校血脉相连。

1917年，原爱山书院的师范学堂扩充为“浙江省立第三师范学校”，又增辟黄沙路乌程县学旧址为校址，

1922年11月，全国实行“新学制”（壬戍学制），中学试行“三、三制”，即规定初中、高中各三年。并明令“中师两校合并”。

1923年7月，省厅令原设“省立第三师范学校”并入省立三中，仍称“浙江省立第三中学校”，分设中学、师范两部，并附设小学部，中学部在天宁巷三中原址，师范部及附小在黄沙路原三师旧址。

1927年10月，改称“浙江省立第三中学”，同年秋浙江大学区成立，学校开始招收女生，实行男女同校，根据《浙江大学区高级中学科目学分暂行标准》，高级中学分为普通科和师范科。

1929年，因学生大增，中师两部限于校舍不能固定划分，特改称中学部和师范部为第一部和第二部。

1932年，由省立三中代办“浙江省第三学枢联立师范讲习所”招收一个班，学制三年，于1935年6月毕业，此后学校不再招收师范生。

1933年8月，省立三中改称“浙江省立湖州初级中学”，校址仍在天宁巷。

1935年秋，学校增设高中部。

1936年8月，学校改名为“浙江省立湖州中学”。

1937年，日本发动全面侵华战争，11月湖州沦陷，部分师生在校长周翔带领下，流亡浙东。

1938年8月，湖州中学奉令与杭高、杭女、嘉中、杭师、民实、杭初等七校在丽水碧湖镇合并成立“浙江省临时联合中学”；但浙东路途遥远，大部分师生仍滞留浙西。而许多师生不畏险阻，越过日军封锁线，向浙西天目山一带流亡。

1938年10月，浙江省第一行政督察专员公署在西天目山禅源寺创办了“浙江省第一区各县联立战时初中学生补习学校”，由原省立湖州中学师范部主任方秉性为校务主任。

1939年2月，省政府接管补习学校，改办为“浙江省立浙西临时中学”，设初高中，春秋季各班，教职员增至60多人，大都由原省立湖州中学转来。

1939年5月，为了适应战时形势要求，省厅决定自8月起将几千人规模的浙西临中分设为第一、二、三临中，一中（即本部）设在天目山禅源寺，二中设在孝丰县统里村，三中设在昌化县何桥镇。

1941年，学校增设简易师范科，4月禅源寺被日机炸毁，浙西一中部分学生转入浙西二中学习，部分学生随校迁址于潜青山殿。

1942年，浙西二中增设高中部，学校规模最大时达18个班级。

1943年7月，日寇窜犯浙西山区，浙西二中所在的统里村惨遭劫难，学校迁址西天目山上培。

1945年初，学校又从西天目山迁到于潜麻车埠，7月学校又从麻车埠迁址淳安县航头镇。

1945年9月，省厅对浙西山区各战时临中作出如下定向：嘉属七县联中迁嘉兴秀州中学，浙西一中迁嘉兴，浙西二中迁湖州，浙西三中迁建德。

1945年10月初，浙西二中全体师生近千人，迁回湖州南门现校址，不久，学校复名“浙江省立湖州中学”。

1949年4月27日，湖州和平解放，市军管会派员接管该校。

1949年8月，湖州师范并入省立湖州中学，并校后分设高中部、初中部、师范部。

1951年3月，师范部从学校分出，单独建校，校址在天宁巷。

1952年7月，湖郡女中高中部二个班16人，东吴附中高中部二个班30人并入省立湖州中学。

1951年至1953年，学校举办夜初中，招收四个班。

1954年3月，学校初中部迁往横塘（原蚕桑学校），高中部每年招收六个班。

1954年8月，学校改名为“浙江省湖州中学”。

1957年夏，初中不再招生，初中学生及部分教师转至湖州一中等校。

1958年，学校主办“湖州市夜大学”，设数学、物理、化学三个班，招收高中文化程度的在职干部和各厂矿企业技术人员共180名。

1968年8月，学校复课闹革命，招收二年制、初中新生6个班290人。

1970年6月，学校招收二年制高中生四个班。

1976年10月，十年动乱结束，学校教育重新又走上了正常轨道。为解决办学经费不足问题，从七十年代到九十年代初，学校先后建立了炼油厂、钢木家具厂、信达公司、鱼药厂等。

1981年，浙江省人民政府确定该校为浙江省十八所首批办好的重点中学之一。6月，改初中、高中为三年制。

1995年12月，被评为首批浙江省一级重点中学。

2004年，弁山校区建成投入使用，公费生与自费生开始分校区教学，莲花庄校区供自费生使用，弁山校区供公费生使用。

2009年9月，莲花庄校区与弁山校区重新合并。