温州中学创办于清廷推行“新政”时的晚清。清光绪二十八年（1902年），国学大师、教育家孙诒让（1848-1908）商请温处道童兆蓉和温州知府王琛，将温州府属中山书院改为温州府学堂。府学堂后改名温州府中学堂、浙江第十中学堂、浙江第十中学校、浙江省立第十中学校。

光绪三十二年（1906年），温州地方当局决定以旧校士馆为址创建温州师范学堂。时任温处学务分处总理的孙诒让亲操筹办。1908年学堂建成。师范学堂后易名温州师范学校、浙江第十师范学校。

1923年（民国十二年），教育部新学制（壬戌学制）要求将各地省立师范学校并入当地省立中学。于是十师和十中合并，校名仍是浙江省立第十中学校。1933年学校改名浙江省立温州中学。

抗日战争时期的1939-1945年间，温州三次沦陷，学校数度迁址，先后在青田水南、村头、南田和泰顺江口等地办学。抗战胜利后，1946年省浙东第三临时中学归并温中。

1949年5月温州解放，学校进入新的发展时期，开始全面的改造和建设。

解放初期，学校按照“为工农服务、为生产建设服务”的方针，改造旧的教育思想和教育教学体系，教师进行思想改造，学生实施智、德、体、美全面发展教育。1953年，学校被确定为全省14所重点中学之一。

1954年，学校基本完成向新民主主义教育的转变，着手按社会主义原则实行进一步改造，以培养德、智、体全面发展的社会主义新人。8月，校名改为浙江省温州第一中学。学校由完全中学改为高级中学。

1958年，学校在“教育为无产阶级政治服务，教育与生产劳动相结合”方针指引下，探索社会主义办学新路，学校工作在探索中曲折前进。1959年，全省调整重点中学，本校为全省16所重点中学之一。

1961年，学校贯彻“调整、巩固、充实、提高”的八字方针。1962年试行《全日制中学暂行工作条例（草案）》。1963年，省教育厅挑选基础较好的17所中学为“首批办好的重点中学”，以与高一级学校形成“小宝塔”，本校名列其中。

1966年开始的“文化大革命”，给学校带来灾难性的破坏。

1976年粉碎“四人帮”后，学校进行拨乱反正，各项工作逐步走上正规。1978年，学校重新被确定为省、市重点中学。1981年被定为省首批办好的18所重点中学之一。有关部门采取一系列有力措施，提高学校办学水平。

1985年，学校复名“浙江省温州中学”，并再次由完全中学改制为高级中学。学校办学条件不断改善，校舍、设备进行系统配套建设，教学手段现代化进程加速进行。1992年，学校被评为省先进学校，1993年，学校评为省文明单位（以后仍保留文明单位称号）。1995年，学校被批准为省一级重点中学。

2002年秋，为进一步提高办学水平，学校整体迁移到占地338亩、投资约2亿元的梧埏新校舍。全体师生将在这所现代化的寄宿制的新校里，继续深化教育改革，全面推进素质教育，为培养社会主义现代化建设者和接班人而努力奋斗。