Počeci gimnazijskog obrazovanja u Bjelovaru vezani su uz 1858. kada je osnovana dvogodišnja Niža realna škola (kao nesamostalna, jer je bila u sklopu Dječačke škole). Godine 1863. škola dobiva treći razred te postaje samostalna. Godine 1875. dobiva i četvrti razred, te odlukom Kraljevske zemaljske vlade 1876.  postaje Kraljevska mala realna gimnazija.

Pri osnutku podučavani su predmeti: nauk vjere (rimokatolički i grkokatolički), hrvatski jezik, njemački jezik, zemljopis i povijest, račun, geometrija, prirodoslovlje, ratarstvo, risanje i krasopis. 1863. dodani su mehanika i graditeljstvo. Sve dok 1868. u Vojnoj krajini hrvatski jezik nije proglašen ravnopravnim, nastava se održavala isključivo na njemačkome jeziku.

 Tijekom vremena Mala realna gimnazija postaje pretijesna za sve veći broj učenika koji dolaze u Bjelovar pa vlada odobrava  izgradnju nove zgrade. Kraljevska zemaljska vlada donijela je 4. rujna 1901. rješenje da Gimnazija nosi naziv Kraljevska velika realna gimnazija u Bjelovaru, te je 21.rujna 1901.  svečano otvorena zgrada Gimnazije izgrađena u roku od 14 mjeseci. Prve je godine u novi zgradu Gimnazije upisano 264 učenika. Do 1904. završeno je stvaranje svih osam razreda; tada je školu pohađalo 366 učenika.

Normalni rad Gimnazije, sve do početka Prvog svjetskog rata, nakratko je prekinuo veliki štrajk učenika u ožujku 1912., koji su se pridružili općem štrajku učenika u Hrvatskoj protiv apsolutističkog banovanja bana Slavka Cuvaja i policijskog nasilja.

Prema izvještaju ravnateljstva Kraljevske realne gimnazije od 1913./14. aktivnosti škole, osim predavanja, bile su raznovrsne. Učenici su gimnastiku izvodili u dvorani Hrvatskog sokola, gdje su održavana i razna natjecanja, održan je tečaj u vojničkom strijeljanju i rukovanju puškom, provedeni su mnogi izleti u bjelovarsku okolicu …

Početkom Prvog svjetskog rata Bjelovar je bio sjedište 16. pješačke pukovnije pa se gotovo sve javne zgrade počinju koristiti za potrebe vojske. Iako je nastava trebala početi u listopadu 1914.u zgradu Gimnazije se useljava vojska, a nastava je odgođena na neodređeno vrijeme. Vladinim mjerama, reguliran je život škole u ratnim uvjetima: zabranjena je uporaba ćirilice, nastavni jezik postaje samo hrvatski, sve su učeničke udruge raspuštene(osim skauta), dolazi do sažimanja gradiva, a učenici podvrgnuti mobilizaciji imali su pravo na izvanredno polaganje ispita.

 Za vrijeme Drugog svjetskog rata škola je nastavila s radom iako je imala teškoće oko prostora(u Gimnaziji je bila smještena njemačka i domobranska vojska). U ratu su bjelovarski gimnazijalci ginuli na obje strane.

1966. Gimnazija je preimenovana u Gimnaziju Bjelovar. Tada postoje dva nastavna smjera: društveno-jezični te matematičko-prirodoslovni, a početkom sedamdesetih uvodi se i opći smjer.

Školske godine 1969./1970. uvodi se učenje drugog stranog jezika.

Poslije 1974. počinje proces ukidanja gimnazija pa ona od 1977. nosi naziv Osnovna organizacija udruženog rada obrazovanja upravnih, pedagoških i građevinskih kadrova, a djelovala je u Centru za odgoj i obrazovanje Bjelovar.

Godine  1991. stvoreni su uvjeti za novu reformu hrvatskog školstva te su u srednjoškolski sustav vraćene gimnazije kao općeobrazovne institucije. Godine 1992. Gimnazija Bjelovar dobila je rješenje od Ministarstva kulture i prosvjete RH o ponovnom početku rada. Budući da u Bjelovaru nije bilo dovoljno školskog prostora, dogovorom ravnatelja u zgradi Gimnazije održavala se nastava i za potrebe Medicinske škole.

U vrijeme Domovinskoga rata (1991.-1995.) škola je, kao i sve škole diljem Hrvatske, prihvaćala učenike i profesore iz ratom zahvaćenih dijelova domovine.

U školskoj godini 1994./95. Gimnazija ima 556 učenika i 18 razrednih odjela s tri gimnazijska programa: opći, prirodoslovno-matematički i jezični. Te godine škola je opremljena kabinetima i specijaliziranim učionicama. U školi je organizirana izborna, fakultativna i dodatna nastava.

Najveća šteta nastala je kada je u Gimnaziji 1998. podmetnut požar u kojemu je izgorjela zbornica, knjižnica, informatički kabinet i dvije učionice, a posebna šteta što je u plamenu nestalo oko 14 000 vrijednih knjiga.

Brojne istaknute ličnosti bile su đaci Gimnazije Bjelovar: Vojin Bakić, Rudolf Bićanić, Boris Buzančić, Bogdan Diklić, Zvonimir Ferenčić, Hrvoje Horvat, Mato Lovrak, Nasta Rojc, Željko Sabol, Vojislav Šiljak, Radmila Šešić, Goran Tribuson…