1902年（清光绪二十八年），国学大师、教育家孙诒让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。
1906年（光绪三十二年），温州地方当局决定以旧校士馆为址创建温州师范学堂。
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。
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。
1946年，浙江省浙东第三临时中学归并浙江省立温州中学。
1953年，学校被确定为全省14所重点中学之一。
1954年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。
1959年，浙江省调整重点中学，温州一中为全省16所重点中学之一。
1963年，浙江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”，该校名列其中。
1966年开始的“文化大革命”，给学校带来灾难性的破坏。 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。
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。
1995年，学校被批准为浙江省一级重点中学。
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。
2006年起，由中央拨款千万元资助学校创建新疆班，筹建中的新疆班为温州中学民族部的一个重要组成部分，选址在温州中学现校址的南部。
2007年，温州中学新疆部新校区建成投入使用。
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