โรงเรียนกำเนิดวิทย์รับนักเรียนเข้าเรียนในแต่ละปีจำนวน 72 คน โดยจะแบ่งเป็นห้องละ 18 คน จำนวน 4 ห้อง ในจำนวนนี้จะคัดเลือกจากผู้สมัครตั้งแต่ระดับชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 3 จากทุกจังหวัดจำนวน 72 คน และให้โควตานักเรียนที่เรียนในจังหวัดพื้นที่ ภาคตะวันออก 9 จังหวัด จำนวน 11 คน (ในกรณีที่นักเรียนมีสิทธิ์สอบรอบสองทั้ง 300 คน) หลังการสอบรอบแรกจะประกาศรายชื่อผู้มีสิทธ์เข้าสอบรอบ 2 จำนวน 300 คน และเมื่อสิ้นสุดการสอบรอบ 2 จะประกาศรายชื่อผู้ผ่านการคัดเลือกตัวจริง 72 คน และตัวสำรองอีก 108 คน รวมเป็น 180 คน ตั้งแต่ปีการศึกษา 2563 หรือรุ่นที่ 6 มีการปรับโดยประกาศรายชื่อผู้ผ่านการคัดเลือกตัวจริง 72 คนและที่เหลือทั้งหมดเป็นตัวสำรอง โดยนักเรียนที่จะสมัครสอบต้องมีคุณสมบัติด้านคณิตศาสตร์และวิทยาศาสตร์ผ่านเกณฑ์ที่กำหนดจึงจะสมัครสอบได้

เกณฑ์การรับสมัครนักเรียนระดับชั้น ม. 2 เพื่อสอบคัดเลือกเป็นนักเรียนโรงเรียนกำเนิดวิทย์ จะใช้เกณฑ์นี้สำหรับนักเรียนโรงเรียนกำเนิดวิทย์ 3 รุ่นแรกเท่านั้น และตั้งแต่รุ่นที่ 4 เป็นต้นไป หรือ ปีการศึกษา 2561 ทางโรงเรียนกำเนิดวิทย์เปลี่ยนมารับสมัครนักเรียนระดับชั้น ม. 3 เพื่อสอบคัดเลือกเป็นนักเรียนโรงเรียนกำเนิดวิทย์แทน

วิชาที่ใช้สอบคือวิชาคณิตศาสตร์และวิทยาศาสตร์ เป็นอัตนัยทั้งหมดทั้งรอบแรกและรอบ 2 และในการสอบรอบ 2 ผู้สมัตรสอบทุกคนต้องสอบการทดลองวิทยาศาสตร์ภาคปฏิบัติด้วย โดยในการสอบรอบ 2 นี้ ผู้สมัตรจะต้องส่งแฟ้มผลงาน (Portfolio) ของผู้สมัตรให้กับทางโรงเรียนกำเนิดวิทย์ พิจารณาเป็นคะแนนในการสอบเข้า ภายใต้แนวคิดที่ว่า

"ผู้จะประสบความสำเร็จในอนาคตไม่ใช่เป็นเพียงผู้ที่เรียนหนังสือเก่งเท่านั้น แต่จะต้องเป็นผู้สนใจทำกิจกรรมที่หลากหลาย มีจิตสาธารณะ เห็นแก่ประโยชน์ส่วนรวมมากกว่าประโยชน์ส่วนตน ได้รับการยอมรับจากเพื่อน มีความเป็นผู้นำ สามารถทำงานเป็นกลุ่มได้ มีความมุมานะไม่ย่อท้อต่อปัญหาและอุปสรรคต่างๆ"

ครั้งหนึ่งในการสอบรอบ 2 ในวิชาคณิตศาสตร์ มีการสอบแบบ Unseen Mathematics โดยการเชิญอาจารย์ผู้เชี่ยวชาญทางด้านคณิตศาสตร์มาบรรยายเป็นเวลา 1 ชั่วโมง ในเรื่องที่เด็กไม่เคยเรียนมาก่อน เมื่อบรรยายเสร็จก็ทำการสอบในเรื่องที่บรรยาย เป็นการวัดการเรียนรู้ว่าเด็กนักเรียนมีศักยภาพในการเรียนรู้หรือไม่

ครั้งหนึ่งการสอบคัดเลือกในภาคปฏิบัติวิชาวิทยาศาสตร์ สอบด้วยการใช้อุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ อาทิ สารละลายปริศนา น้ำ ดินน้ำมัน กระดาษชำระ โดยมีวัตถุประสงค์หลักคือต้องการให้นักเรียนหัดวางแผนการทดลอง หรือออกแบบแผนการทดลองจากอุปกรณ์รอบๆตัว เพื่อวัดวิธีคิดของนักเรียน

มีการสอบความสามารถด้านภาษาอังกฤษก่อนเริ่มเรียน โดยนักเรียนทุกคน จะต้องผ่านการสอบ TOEFL-iTP โดยผู้ที่สอบผ่านรอบ 2 ทางโรงเรียนกำเนิดวิทย์จะมอบโปรแกรมสอนภาษาอังกฤษ เพื่อช่วยเตรียมความพร้อมก่อนเริ่มเรียน

กระบวนการคัดเลือกนักเรียนที่มีความสามารถทางวิทยาศาสตร์ และคณิตศาสตร์ที่มีคุณภาพอย่างแท้จริง