1917年3月，北京女子师范学校设立附属女子中学。

1917年9月5日，学校定名为北京女子师范学校附属中学，并正式开学。1924年7月，北京女子师范学校更名为北京女子师范大学，学校亦同时更名为北京女子师范大学附属中学。1931年7月1日，北京女子师范大学与北京师范大学合并，学校成为北京师范大学附属女子中学。1949年5月9日，华北育才中学女生部并入。1952年8月，私立文华女中、华北中学先后并入，并且学校迁到二龙路甲14号。1955年9月，学校由中央教育部直接管理，并改名为北京实验中学，校名由郭沫若题写。1964年8月，学校由北京师范大学收回，恢复“北京师范大学附属女子中学”校名。1968年，学校结束50年女校历史，开始兼收男生。1972年，学校更名为北京150中学。1978年10月，学校重新归属北京师范大学，定校名为北京师范大学附属实验中学。1993年，试办高中三年制全国招生的理科实验班。1997年3月，在以实验中学为中心的基础上，建成“北京中加学校”、“北潞园分校”。1998年6月，原三十七中学改为北京师范大学附属实验中学分校（即实验中学初中部）。2003年，理科实验班停办。2003年秋季，开始招收“香港英才班”学生。2004年，设立微软实验室。