בית הספר הריאלי העברי בחיפה נוסד לפני פרוץ מלחמת העולם הראשונה. הקורטריון של המכון היהודי לחינוך טכני בא"י, מיסודה של חברת "עזרה", החליט להקים בחיפה טכניקום ובית ספר ריאלי, וקבע (בישיבתו ב- 20.10.1913) ששפת ההוראה של המקצועות המדויקים תהיה גרמנית. החלטה זו עוררה תסיסה גדולה בארץ כולה ובמיוחד בחיפה. בנובמבר אותה שנה נתכנסה בחיפה אספת מחאה נגד החלטות הקורטריון והוחלט בה לייסד בית ספר ריאלי שכולו עברי.

הועד הפועל הציוני המצומצם, שהתכנס בפולין, נענה ליוזמה מא"י והחליט על ייסוד בית בספר הריאלי העברי בחיפה. למנהל בית הספר נתמנה ד"ר ארתור בירם. ביה"ס נפתח בחנוכה תרע"ד (סוף דצמבר 1913). כשישים תלמידים של בי"הס "עזרה" על מוריהם (מירונסקי, נוימן ונפחא) עזבו לאות מחאה את בניין ביה"ס של "עזרה" ועברו לבית הכנסת "הדרת קודש", משכנו הזמני של בית הספר הריאלי העברי.

ב"פרוגרמה לכל שנות הלימוד", שיצאה לאור באותה שנה, התווה ד"ר בירם את דרכו של ביה"ס:

"מטרה אחת לנו: להקים דור של עוזרים חדשים לגאולת ארצנו ושחרור עמנו... שאיפתנו לתת לתלמידים את היסודות העיוניים שיכשירום לעבודה עצמית וחופשית, להכשירם הכשרה טכנית, שאין להקנותה, לפי  דעתנו, אלא על ידי מלאכת ידיים... להרגיל את בנינו לסדר ודיוק בעבודה... לפתח בהם ההכשרה הציבורית והחברתית, הכשרון לשלטון עצמי, שידעו לתפוס את מקומם הראוי בחברה ואשר יהיו מסוגלים להתמסר לענייני הציבור. אנשי מעשה שיהיו מוכשרים לעבוד עבודת ארצנו. אנשים שכל מילה תהיה להם מעשה... דבר מובן מאליו הוא שהחינוך הגופני צריך לתפוס מקום בראש, כי דרושים לנו אנשים בריאים בגופם ובעלי משמעת חזקה".

כעבור מספר חודשים פרצה מלחמת העולם הראשונה. ד"ר בירם התגייס לצבא הגרמני והוצב כמנהל התנועה בתחנת הרכבת בעפולה. במקומו התמנה כמנהל יוסף עוזרקובסקי (עזריהו) והוא כיהן אח"כ מנהל מחלקת החינוך של הוועד הלאומי.

בשנת 1919, בראשית שנת תר"פ, שב ד"ר בירם לנהל את ביה"ס והתחיל להגשים את מה שעלה במחשבתו לפני המלחמה. ביה"ס רצה לאפיין את עצמו כבי"ס תיכון - ולכן הופרדו ממנו כיתות היסוד א-ד שאורגנו ע"י ההנהלה הציונית כבית ספר יסודי בהנהלת מר כרמי  (אח"כ בי"ס עממי א).

ד"ר בירם, בעזרת צוות מורים שעלו מאירופה (ד"ר בראוור, ד"ר ריגר, מר כרוך ומר סירקין) החל לעצב את דמות ביה"ס כ"בית ספר עמלני". שנות הלימוד היו עשר, כשלמקצועות המלאכה הוקצה כשליש משעות ההוראה. בשטח החינוך הושם דגש על סדרי משמעת וקיום מצוות, קלות כחמורות. נוסדו גדודי הצופים "המשוטטים" ע"י המורה לטבע פנחס כהן, שטופחו אח"כ כשבט הצופים "משוטטי בכרמל" על ידי אריה כרוך. בשנת תרפ"ב (1923) עבר בי"ס למבנה בחצר הטכניון, ששימש לפני כן כבית חולים צבאי בריטי. שנה אח"כ (תרפ"ג), נפתחה בביה"ס פנימייה אזרחית, שקלטה תלמידים מחו"ל ושימשה גם כמעבדה למשק בית. הפנימייה נסגרה עם פרוץ  מלחמת העולם השניה, ב-1939.

החל משנת תרפ"ד החל מסתמן מפנה בדרכו של ביה"ס, בשאיפה להפוך את בית הספר לתיכון עיוני ממש. לצורך זה חלו בו השינויים הבאים:

• נפתחו שתי כיתות עליונות (י"א, י"ב)
• נפתחה מגמה הומניסטית החל מכיתה ט - מקבילה לריאליסטית
• נקבע מבנה ביה"ס:
  • שלב א - כיתות ה - י (לימודים שווים לכולם)
  • שלב ב - כיתות י"א-י"ב (העמקה במגמות)
• נפתחו מחדש כיתות היסוד (4 שנות לימוד)

בשנים אלה גם נקבעה סיסמת ביה"ס - "והצנע לכת", שגיבשה את שאיפת ביה"ס בחינוך.

בין השנים 1939-1932 גדל ביה"ס בשל העלייה הגדולה וההתפתחות המהירה של הישוב בחיפה. מספר התלמידים הגיע ל-1147 ומספר הכיתות ל-34. נפתחו סניפים חדשים - כיתות יסוד במרכז הכרמל (בהנהלת עמנואל יפה) וכיתות תיכוניות (א-ג) באחוזה (בהנהלת לוי וולף). נרכשו גם ביתו של פבזנר בהדר הכרמל, מגרש בן 29 דונם באחוזה (לכיתות התיכוניות) ומגרש בן 70 דונם בסוף אחוזה (בית בירם כיום). בהשפעת מאורעות תרצ"ו הונהגו שיעורי חובה באגרוף לתלמידי כיתות ה-ח, והחלו שיעורי "ספורט שימושי" שהפך אח"כ לחג"מ (חינוך גופני מורחב) - אבי הגדנ"ע. בתרצ"ט (1938) הונהגה בביה"ס התלבושת האחידה.

השנים 1940 - 1948 היו שנים קשות לביה"ס - שנות מלחמת העולם השניה והמאבק להקמת המדינה. מורים ותלמידים רבים גויסו. הלימודים התנהלו במשמרות (שתיים וגם שלוש). תלמידי השמיניות גויסו ל"שנת שירות" וקיבלו תעודת בגרות רק לאחר מילוי חובתם זו.

בסוף שנת תש"ח, עם קום המדינה, חלו חילופי משמרות בהנהלת ביה"ס: ד"ר בירם הגיע לגיל 70 ופרש ממשרתו כמנהל, אף כי המשיך לשמש כמנהל בית המדרש למורים וכיו"ר מועצת המנהלים של ביה"ס. במקומו נתמנה יוסף בנטויץ - שכיהן במשך שבע שנים (1948/9 - 1955). בשנים אלו גדל ביה"ס והתרחב. הבניינים בסוף אחוזה הוחזרו לביה"ס (לאחר שהיו תפוסים בידי צה"ל) ונולד סניף בית בירם. נוספו מגמות חדשות, הוקמה "חברת התלמידים", הונהג גיליון התלמיד, נערכו מחדש תוכניות הלימודים, נחנכה הפנימייה הצבאית שליד ביה"ס (1953), הונהגו "שירות לאומי" והחיבור השנתי ונוספו לימודי אזרחות ופילוסופיה.

בסוף תשט"ו (1955) התפטר יוסף בנטויץ מתפקידו וכמנהל במקומו מונה יצחק שפירא, שכיהן עד אז כמנהל הכיתות התיכוניות בהדר וכסגן המנהל הכללי. הוא שימש כמנהל המוסד עד לשנת 1983. בשנות כהונתו התרחב בית הספר עוד, נבנו בניינים חדשים בבית בירם וכן סניף הכיתות התיכוניות במרכז הכרמל (סה"כ 7 סניפים - 3 יסודיים ו - 4 תיכוניים), הונהג שכר לימוד מדורג ושונה מבנה ביה"ס: שש כיתות יסוד ו-שש כיתות תיכוניות. נפתחו מגמות לימוד נוספות, שהפכו אח"כ למסלולי לימוד. התרחבה וגובשה "חברת התלמידים". הונחו היסודות למפעל "השירות לכלל" של התלמידים ("מחויבות אישית") וכן גובשו פרוייקטים חינוכיים נוספים. בראשית שנות ה-70 החל ביה"ס בקליטת תלמידי הרפורמה במסגרת מיוחדת ולפי דגם מיוחד (ללא הקבצות!), גובשו דפוסים קבועים לעבודתו של המורה, המחנך ומרכז המקצוע, והורחבה רשת ההדרכה והפיקוח על המורים החדשים. בשטח החינוך הלך ביה"ס בדרך המיזוג בין עקרונות המרות והחופש.

בשנת תשמ"ג (1983) פרש יצחק שפירא מהנהלת ביה"ס לאחר 28 שנות ניהול ונתמנה לנשיא ביה"ס. במקומו נתמנה כמנהל ד"ר ישעיהו תדמור, בוגר ביה"ס. שנות כהונתו עמדו בסימן פיתוח והרחבה של תוכניות חינוכיות ולימודיות. במסגרת החינוכית עוצבו פרוייקטים שונים, כגון: החינוך לדמוקרטיה ולדו-קיום יהודי-ערבי, והודגש הטיפול בנושאי הציונות וההכנה לצה"ל. מחנות "השירות הלאומי" נערכו במשקי הקיבוץ הדתי - למפגשים עם העולם הדתי-ציוני מצד אחד והקיבוץ מצד שני והורחבו פעילויות הגדנ"ע.

ד"ר תדמור סיים את תפקידו לאחר 13 שנות ניהול ובמקומו נתמנה בשנת תשנ"ו (1996) רון כתרי, בוגר ביה"ס והפנימייה הצבאית. בתקופתו נערכו שינויים בתרבות הארגונית של ביה"ס, שעיקרן: בניית מבנה אירגוני חדש, החדרת תפיסת הביזור והשירות, פתיחות לתקשורת פנימית וחיצונית והקמת מערך ניהול יעיל. בצד טיפוח ערכים ותיקים נקבעו גם דגשים חדשים: שיתוף בקבלת החלטות, מתן משמעות לרצף 12 שנות לימוד, טיפוח המחשוב, למידת חקר והוראה-למידה אינגרטיבית ומותאמת. נבחנו מחדש דרכי הערכה ומשוב, נכתב סילבוס למקצועות הלימוד והושם דגש על העמקת תהליכי הדמוקרטיזציה בביה"ס. בנוסף, עוצב לכל סניף מאפיין ייחודי משלו, במסגרת התפיסה החינוכית הכוללת של ביה"ס: הדר - מדעים ואומנויות, מרכז הכרמל - ביה"ס למדע, טבע וסביבה, אחוזה - מנהיגות ותקשורת.

בשנת 2000 נקרא רון ע"י הרמטכ"ל דאז, רב-אלוף שאול מופז, לשוב לצה"ל לתפקיד דובר צה"ל. לאחר שירות בן שנתיים, שב תת-אלוף (מיל.) רון כתרי לתקופת כהונה נוספת בבית הספר.  

בשנת הלימודים תשס"ה (ספטמבר 2004) נפתח המחזור הראשון של ה"ריאליגן" - גן חובה הממוקם במבנה ייחודי במתחם אחוזה. בשנת הלימודים תשס"ט (ספטמבר 2008) נפתח בקמפוס בית בירם אשכול גנים ירוק לגילאי 3 ומעלה, ע"ש רות רפפורט, שמונה כ- 80 חניכים בקירוב.

כיום, בשנתו ה - 96, מונה ביה"ס מעל 3800 תלמידים ב- 126 כיתות, מגן ועד י"ב. מחזורי הבוגרים מונים מדי שנה כ- 400 תלמידים בקירוב, וסגל ביה"ס מונה כ-450 מורים ועובדים. למעלה מ- 19 אלף בוגרי ביה"ס מצויים בעמדות מפתח בחברה הישראלית ומביאים גאווה רבה לביה"ס, ביניהם: נשיא מדינה לשעבר, שלושה שופטים עליונים, ארבעה רמטכ"לים, 28 כלות וחתני "פרס ישראל" ומאות רבות של אנשי מעש בתחומי המדע, התעשייה, האמנות, התקשורת והאקדמיה.