คณะศึกษาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น จัดตั้งขึ้นเมื่อวันที่ 13 กันยายน พ.ศ. 2511 ซึ่งในวันนั้น คณะกรรมการพิจารณาจัดตั้งคณะศึกษาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น ประชุมเป็นครั้งแรก ณ แผนกจิตวิทยา คณะครุศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย จึงถือเอาวันที่ 13 กันยายน เป็นวันสถาปนาคณะศึกษาศาสตร์ ทั้งนี้เพื่อให้มหาวิทยาลัยขอนแก่น มีส่วนสนับสนุนในแผนพัฒนาภาคตะวันออกเฉียงเหนือให้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น โดยมีหลักการและเหตุผลที่สำคัญ คือ การขาดแคลนครูปริญญา การขาดความสมดุลด้านคุณภาพการศึกษาระหว่างส่วนกลางและส่วนภูมิภาค และการขาดการวิจัยการศึกษาและจิตวิทยาในภาคตะวันออกเฉียงเหนือ คณะศึกษาศาสตร์จึงจัดตั้งขึ้น โดยมีวัตถุประสงค์ทั่วไปเพื่อจะพัฒนาการศึกษาในภูมิภาคตะวันออกเฉียงเหนือตามนโยบายของรัฐบาล โดยมีวัตถุประสงค์เฉพาะดังนี้[2] คือ

1. เพื่อผลิตครูปริญญา และอนุปริญญาสาขาวิชาต่างๆ ที่จะสอนในระดับประถมศึกษาและมัธยมศึกษา โดยร่วมมือกับกรมการฝึกหัดครูกระทรวงศึกษาธิการ ในการผลิตครู โดยเฉพาะอย่างยิ่งในภาคตะวันออกเฉียงเหนือ

2. เพื่อผลิตโสตทัศนูปกรณ์ ตำราและเอกสารการศึกษา อันจะส่งเสริมในการเรียนรู้ให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น และการศึกษาได้ผลมากขึ้น

3. เพื่อทดลองวิจัยวิธีการสอน การจัดการเรียนการสอน และหลักสูตรประเภทต่างๆ ที่เหมาะสมในการเตรียมครู โดยเฉพาะอย่างยิ่งครูที่สอนในชนบท

4. เพื่อมีส่วนร่วมในการส่งเสริมพัฒนาชนบท โดยปฏิบัติงานร่วมกับโรงเรียนชุมชน สถานศึกษาต่างๆ และหน่วยงานอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง

5. เพื่อเผยแพร่และให้บริการด้านการศึกษา การอบรมแก่ชุมชนและครูประจำการในภาคตะวันออกเฉียงเหนือ

6. เพื่อวิจัยปัญหาต่างๆ ด้านการศึกษาและจิตวิทยา อันจะช่วยให้เข้าใจสภาพบุคคล และสภาพแวดล้อมของภาคตะวันออกเฉียงเหนือให้ดียิ่งขึ้น อันจะช่วยเป็นประโยชน์ในการศึกษาต่อไป

คณะศึกษาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น ได้เปิดรับนักศึกษารุ่นแรกในปี พ.ศ. 2512 เข้าเรียนในสาขาการมัธยมศึกษา จำนวน 100 คน โดยใช้อาคารเรียนของคณะวิทยาศาสตร์และอักษรศาสตร์ เป็นสำนักงานของคณะและสถานที่เรียนชั่วคราว ในปี พ.ศ. 2513 เริ่มก่อสร้างอาคารเรียนของคณะ และได้จัดตั้งโรงเรียนสาธิตอนุบาลและสาธิตประถมขึ้น โดยใช้ชื่อว่า "โรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยขอนแก่น" เพื่อทำการทดลองและวิจัยวิธีการสอนแบบต่างๆ

คณะศึกษาศาสตร์ ได้เริ่มเปิดทดลองการเรียนและการสอนในระดับสาธิตมัธยมขึ้นในปี พ.ศ. 2519 โดยรับนักเรียนต่อจากโรงเรียนสาธิตประถม แต่สำหรับด้านการบริหารโรงเรียนนั้น ยังเป็นการบริหารแยกกันระหว่างโรงเรียนประถมและมัธยม ทางด้านหลักสูตรที่ใช้เรียนในระดับมัธยมศึกษานั้น ได้ใช้หลักสูตรของกระทรวงศึกษาธิการอย่างเคร่งครัด เพื่อให้รับกับการศึกษาชั้นอุดมศึกษา คณะศึกษาศาสตร์จึงได้พิจารณาถึงปัญหาต่างๆ ของการดำเนินงาน ซึ่งแยกกันของโรงเรียนทั้งสองระดับ จึงสมควรให้รวมโรงเรียนทั้งสองเข้าเป็นโรงเรียนเดียวกัน และมีผู้บริหารโรงเรียนเพียงชุดเดียว[3]

เมื่อมหาวิทยาลัยขอนแก่นพัฒนาเจริญขึ้นอย่างรวดเร็ว อาจารย์ ข้าราชการ และลูกจ้าง มีจำนวนมากขึ้น และสวัสดิการทางด้านการศึกษาแก่บุตรของบุคลากรยังไม่เพียงพอต่อความต้องการ โรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยขอนแก่น (ศึกษาศาสตร์)[4] ก็ไม่สามารถรองรับจำนวนนักเรียนได้ได้ เนื่องจากงบประมาณที่มีจำกัด ทางสภามหาวิทยาลัยขอนแก่น จึงให้มีการจัดตั้ง "โรงเรียนสาธิตมอดินแดง" ให้เป็นโรงเรียนที่ดำเนินงานโดยสำนักงานอธิการบดีมหาวิทยาลัยขอนแก่น มีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นสวัสดิการแก่บุตรอาจารย์ ข้าราชการ และลูกจ้าง ของมหาวิทยาลัยขอนแก่น ซึ่งไม่มีที่เรียน และมีความประสงค์ที่จะพัฒนาการศึกษาไม่ให้ด้อยกว่าที่อื่นๆ เปิดดำเนินการเป็นครั้งแรกในปีการศึกษา 2524 จนถึงปัจจุบัน โดยมีอาจารย์จากคณะต่างๆ ร่วมสอนด้วย[5]

เมื่อปี พ.ศ. 2542 สภามหาวิทยาลัย ได้มอบหมายให้คณบดีคณะศึกษาศาสตร์ ปรับแก้โครงสร้างเชิงบริหารของโรงเรียนสาธิตทั้ง 2 แห่ง ให้เป็นเอกภาพโดยให้มีผู้อำนวยการคนเดียวกัน รวมทั้งใช้นโยบายการจัดการเป็นอันเดียวกัน เพื่อลดช่องว่างระหว่างความรู้สึกเปรียบเทียบของผู้ปกครองที่ต้องการความทัดเทียม จึงการยกเลิกข้อบังคับมหาวิทยาลัยขอนแก่นว่าด้วยโรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยขอนแก่น พ.ศ. 2534 โดยใช้ข้อบังคับฯ ว่าด้วยโรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยขอนแก่น พ.ศ. 2544 และระเบียบว่าด้วยโรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยขอนแก่น พ.ศ. 2546 แทน

ปัจจุบันโรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยขอนแก่น เป็นหน่วยงานเทียบเท่าภาควิชา สังกัดคณะศึกษาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น ตั้งอยู่ 2 แห่งภายในมหาวิทยาลัยขอนแก่นได้แก่

• โรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยขอนแก่น (ศึกษาศาสตร์) (Demonstration School of Khon Kaen University) อยู่บริเวณริมบึงสีฐานประตูมหาวิทยาลัยขอนแก่นที่ 2 ถนนมะลิวัลย์ มีเนื้อที่ 60 ไร่ จัดการศึกษา 3 ระดับ ได้แก่ ระดับอนุบาล ระดับประถมศึกษา และระดับมัธยมศึกษา
• โรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยขอนแก่น (มอดินแดง) (Modindaeng Demonstration School Khon Kaen University)

อยู่ใกล้บริเวณศาลเจ้าพ่อมอดินแดงประตูมหาวิทยาลัยขอนแก่นที่ 1 ถนนมิตรภาพ จัดการศึกษา 2 ระดับ ได้แก่ ระดับประถมศึกษา และระดับมัธยมศึกษา นอกจากนี้ยังเป็นที่ตั้งของ "ศูนย์วิจัยและพัฒนาการจัดการศึกษาพิเศษแบบเรียมรวมสำหรับเด็กออทิสติก โรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยขอนแก่น" อีกด้วย