เดิมโรงเรียนสาธิต "พิบูลบำเพ็ญ" มหาวิทยาลัยบูรพา เป็นโรงเรียนประถมศึกษาตั้งขึ้นตามพระราชบัญญัติประถมศึกษา ชื่อ โรงเรียนประชาบาล ตำบลหนองมน 3 (บ้านแสนสุขบน) โดยสร้างเป็นโรงเรียนชั่วคราว ด้วยเงินอุดหนุนการประถมศึกษาและประชาชนในท้องถิ่นสละเงินร่วมกัน โดยมีกำนันติ๊ว ยู่จิว และผู้ใหญ่อุ๊น จันทร์เกลี้ยงช่วยกันจัดหาที่ดินและจัดสร้างขึ้นเมื่อเสร็จเรียบร้อยแล้ว ได้ทำพิธีเปิดใช้สถานที่เล่าเรียนเมื่อวันที่ 17 กันยายน พ.ศ. 2482 โดยมี นายพราว สุทธิศรี ศึกษาธิการอำเภอศรีราชา มาเป็นประธานในพิธีเปิดมีนักเรียนทั้งสิ้น 15 คน นายชิ้น ใจดี เป็นครูใหญ่นับเป็นครูใหญ่คนแรกของโรงเรียน

ต่อมา พ.ศ. 2486 ทางราชการได้เปลี่ยนชื่อตำบลหนองมนเป็นตำบลแสนสุขมาขึ้นกับอำเภอเมืองชลบุรี โรงเรียนจึงได้เปลี่ยนชื่อเป็น โรงเรียนประชาบาลตำบลแสนสุข 3 (บ้านแสนสุข)

ในปี พ.ศ. 2496 จอมพล ป.พิบูลสงคราม นายกรัฐมนตรี มอบหมายให้ พลเอก มังกร พรหมโยธี รัฐมนตรีกระทรวงศึกษาธิการ ในขณะนั้น ดำเนินการก่อสร้างโรงเรียนขึ้นในตำบลแสนสุข บนเนื้อที่ 75 ไร่ 2 งาน 131 ตารางวา ซึ่งอยู่บริเวณเดียวกับโรงเรียนประชาบาลตำบลแสนสุข 3 วางศิลาฤกษ์เมื่อวันที่ 27 มกราคม พ.ศ. 2496 มีอาคารเรียนชั้นมัธยมศึกษา อาคารเรียนชั้นประถมศึกษา โรงฝึกงานหัตถศึกษา บ้านพักครู คนงาน รวมเป็นเงินทั้งสิ้น 3,190,000 บาท และให้ชื่อว่า โรงเรียน "พิบูลบำเพ็ญ" โดยนายกรัฐมนตรี ได้มาเป็นประธานในพิธีเปิดโรงเรียนนี้ เมื่อวันที่ 27 พฤษภาคม พ.ศ. 2497

ต่อมาในปี พ.ศ. 2498 กระทรวงศึกษาธิการ ได้ก่อตั้งวิทยาลัยวิชาการศึกษา บางแสน[4] ขึ้นและโอนย้าย โรงเรียน “พิบูลบำเพ็ญ” มาสังกัดวิทยาลัยวิชาการศึกษา กรมการฝึกหัดครู และเปลี่ยนชื่อโรงเรียนเป็น โรงเรียนสาธิต “พิบูลบำเพ็ญ” วิทยาลัยวิชาการศึกษา บางแสน ตั้งแต่วันที่ 1 กันยายน พ.ศ. 2499

ต่อมาเมื่อวิทยาลัยวิชาการศึกษา ได้รับการยกฐานะเป็นมหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ เมื่อวันที่ 29 มิถุนายน พ.ศ. 2517[5] โรงเรียนสาธิต “พิบูลบำเพ็ญ” วิทยาลัยวิชาการศึกษา บางแสน จึงมาสังกัดภาควิชาหลักสูตรและการสอน คณะศึกษาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ วิทยาเขตบางแสน และเปลี่ยนชื่อเป็น โรงเรียนสาธิต “พิบูลบำเพ็ญ” มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ บางแสน ได้มีการจัดตั้งสมาคมผู้ปกครอง ครู และศิษย์เก่าขึ้น เพื่อสนับสนุนการดำเนินงานของโรงเรียนและในปีเดียวกัน สมาคมฯ ได้จัดสร้างอาคารเรียนขนาด 54 x 9.20 เมตร เป็นอาคาร ชั้นเดียว ชื่ออาคาร “พิบูลรำลึก” (ซึ่งต่อมาได้ต่อเติมเป็นอาคาร 2 ชั้น)

ต่อมาเมื่อมีการประกาศใช้ พระราชบัญญัติมหาวิทยาลัยบูรพา ซึ่งเป็นการยกฐานะ วิทยาเขตบางแสน ของมหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ ขึ้นเป็นมหาวิทยาลัยเอกเทศเมื่อ 30 กรกฎาคม พ.ศ. 2533[6] โรงเรียนสาธิต “พิบูลบำเพ็ญ” ได้รับการจัดให้เป็นหน่วยงานที่เทียบเท่าภาควิชา ตามพระราชบัญญัติมหาวิทยาลัยบูรพา พ.ศ. 2533 สังกัดคณะศึกษาศาสตร์ ตั้งแต่วันที่ 8 กรกฎาคม พ.ศ. 2534[7] และสมาคมผู้ปกครอง ครูและศิษย์เก่า ได้จัดสร้างต่อเติมอาคารเรียน พิบูลรำลึก ขึ้นอีก 1 ชั้นและได้มีผู้มีจิตศรัทธาสร้างหอพระประจำโรงเรียน และอาคารแสนเจริญ มอบให้แก่โรงเรียน[2]