ในปี พ.ศ. 2438 ในรัชสมัยของ พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว เมืองพิษณุโลกได้รับการยกฐานะขึ้นเป็นมณฑลพิษณุโลก โดยมีเจ้าพระยาสุรสีห์สิทธิศักดิ์ เป็นสมุหเทศาภิบาลคนแรก ได้อาราธนา พระครูอ่อน จากสำนักวัดอนงคาราม จังหวัดธนบุรี (เดิม) มาว่าการพระศาสนาประจำอยู่ ณ วัดนางพญา ท่านพระครูอ่อน มีความสนใจในการศึกษามากจึงได้เริ่มก่อตั้งสำนักศึกษาขึ้นที่วัดนางพญา ศาลาโรงโขน วัดพระศรีรัตนมหาธาตุบริเวณเชิงสะพานนเรศวรด้านตะวันออกต่อมาพระครูอ่อนได้เลื่อน สมณศักดิ์เป็นพระครูโลกเชษฐ์ชินราชบริบาล ในปี พ.ศ. 2442 พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงเห็นความสำคัญของการศึกษาจึงได้ทรงจัดตั้ง โรงเรียนขึ้นทั่วพระราชอาณาจักร ทางราชการเห็นว่าสำนักศึกษา ของพระครูโลกเชษฐ์ชินราชบริบาล มีความเป็นปึกแผ่นดี จึงได้ยกฐานะสำนักศึกษาแห่งนี้ เป็นโรงเรียน มีชื่อว่า “โรงเรียนตัวอย่างประจำมณฑลพิษณุโลก”และสร้างตัวโรงเรียนขึ้นใหม่ บริเวณทางใต้ของศาลาโรงโขนวัดพระศรีรัตนมหาธาตุ เขตติดต่อวัดนางพญา (มีพื้นที่ประมาณ 1 ไร่ 3 งาน 80 ตารางวา) โดยมีพระครูโลกเชษฐ์ชินราชบริบาลเป็น “ครูใหญ่คนแรก” จึงนับได้ว่าโรงเรียนมีกำเนิดตั้งแต่ปี พ.ศ. 2442

สำนัก ณ วัดนางพญาได้รับการยกฐานะขึ้นเป็น "โรงเรียนตัวอย่างประจำมณฑลพิษณุโลก" มีพระครูโลกเชษฐ์ชินราชบริบาลเป็นครูใหญ่คนแรก ในปี พ.ศ. 2442 ต่อมาในปี พ.ศ. 2444 พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว เสด็จพระราชดำเนินเยี่ยมโรงเรียนตัวอย่างประจำมณฑลพิษณุโลก มีพระราชปรารภว่า "มีนักเรียนสนใจเรียนมาก แต่สถานที่คับแคบไม่พอกับความต้องการ"

ปี พ.ศ. 2473-2474 ทางราชการได้สร้างสะพานนเรศวรข้ามแม่น้ำน่าน บริเวณใต้วัดพระศรีรัตนมหาธาตุเป็นเหตุให้ต้องย้ายโรงเรียนไปยังที่ตั้งทางทิศตะวันออกซึ่งเป็นวัดที่ของวัดราชคฤห์ ซึ่งเป็นวัดร้าง (ปัจจุบันเป็นบริเวณโรงเรียนจ่าการบุญ และยังต้องยืมศาลาโรงโขนเรียนด้วยเป็นเวลากว่า 33 ปี) ในกลางปีต่อมาทางราชการได้สั่งย้ายโรงเรียนฝึกหัดครูมูลพิษณุวิทยายนไปอยู่บริเวณสระแก้ว (บริเวณโรงพยาบาลพุทธชินราช) จึงยกอาคารสถานที่ในบริเวณ วังจันทน์ให้เป็นสมบัติของโรงเรียนพิษณุโลกพิทยาคมทั้งหมด โรงเรียนพิษณุโลกพิทยาคมจึงย้ายครั้งที่ 2 มาตั้งอยู่ ณ พระราชวังจันทน์ ระยะหลังเปลี่ยนแปลงการปกครอง เมื่อวันที่ 24 มิถุนายน พ.ศ. 2475 ทางราชการยกเลิกมณฑล”เป็นเปลี่ยน "จังหวัด" ชื่อโรงเรียนจึงเปลี่ยนเป็น "โรงเรียนประจำจังหวัดพิษณุโลก" ต่อมากระทรวงศึกษาธิการตั้งชื่อเฉพาะขึ้นใหม่เป็น “โรงเรียนพิษณุโลกพิทยาคม” มาจนกระทั่งปัจจุบัน

โรงเรียนพิษณุโลกพิทยาคมเคยเป็นโรงเรียนพี่เลี้ยงก่อตั้งโรงเรียนคือ ในปี พ.ศ. 2507 โรงเรียนจ่านกร้อง ต่อมากรมศิลปากรได้ขึ้นทะเบียนวังจันทร์เป็นโบราณสถานแห่งชาติ ทำให้โรงเรียนต้องย้ายสถานที่ทำการสอนไปยังที่ของกระทรวงเกษตร เพื่อให้กรมศิลปากรเข้ามาบูรณะ

โรงเรียนพิษณุโลกพิทยาคมมีอายุกว่า 100 ปี เมื่อปี พ.ศ. 2542 มีการจัดสร้างวัตถุมงคล "นเรศวร 100 ปี พิษณุโลกพิทยาคม" มีการปรับปรุงถนนเข้าโรงเรียน การจัดทำคันดินรอบโรงเรียน การขุดสระน้ำ การปรับปรุงสภาพแวดล้อม สนามกีฬา และในปี พ.ศ. 2548 โรงเรียนพิษณุโลกพิทยาคมได้ย้ายออกจากเขตพระราชวังจันทร์แล้วเสร็จสิ้นไปยังบึงแก่งใหญ่ ปัจจุบันโรงเรียนพิษณุโลกพิทยาคมได้กำหนดจากสำนักงานคณะกรรมการการศึกษาขั้นพื้นฐานให้เป็นโรงเรียนมาตรฐานระดับสากล