โรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยพะเยา ก่อตั้งขึ้นเมื่อวันที่ 17 กรกฎาคม พ.ศ. 2554 เป็นนโยบายของ ศ. (พิเศษ) ดร.มณฑล สงวนเสริมศรี อธิการบดีมหาวิทยาลัยพะเยา ที่ต้องการสร้างโรงเรียนต้นแบบในการจัดการเรียนการสอน และการจัดกิจกรรมต่าง ๆ ที่สนับสนุนการเรียนรู้ของนักเรียนในระดับชั้นมัธยมศึกษา ดังนั้นสภามหาวิทยาลัยพะเยาในคราวประชุมครั้งที่ 6/2554 เมื่อวันที่ 17 กรกฎาคม พ.ศ. 2554 มีมติให้จัดตั้งโรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยพะเยาขึ้น เป็นส่วนงานระดับกองอยู่ภายใต้สำนักงานอธิการบดี และให้มีผลบังคับใช้ตั้งแต่วันที่ 28 กันยายน พ.ศ. 2554 เป็นต้นไป[3] โรงเรียนจึงได้นับเอาวันที่ 17 กันยายน พ.ศ. 2554 เป็นวันสถาปนาโรงเรียน ในระยะแรกมี รศ.ดร.ชยันต์ บุณยรักษ์ เป็นผู้อำนวยการท่านแรก โดยเปิดรับนักเรียนรุ่นแรกในปีการศึกษา 2555 ระดับชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 1 และ 4 ระดับชั้นละ 2 ห้อง ห้องละ 30 คน รวม 120 คน และมีนักเรียนครบทุกระดับชั้นในปีการศึกษา 2557 รวมแล้วโรงเรียนได้เปิดทำการเรียนการสอนใน 6 ระดับชั้น ทั้งหมด 12 ห้องเรียน โดยใช้อาคารเรียนซึ่งเดิมเป็นอาคารปฏิบัติการทางวิศวกรรมศาสตร์ จำนวน 12 หลัง เป็นอาคารเรียนชั่วคราว[4] และกำลังก่อสร้างอาคารเรียนถารวร บนเนื้อที่ 91 ไร่ บริเวณถัดจากสนามกีฬามหาวิทยาลัยพะเยา โดยเริ่มก่อสร้างตั้งแต่ปี พ.ศ. 2557 ประกอบด้วยอาคารสำนักงาน อาคารเรียน อาคารปฏิบัติการ โรงอาหาร หอสมุด หอประชุม อาคารกิจกรรมและหอพัก

ต่อมาเมื่อวันที่ 13 สิงหาคม พ.ศ. 2557 ศาสตราจารย์พิเศษ ดร. มณฑล สงวนเสริมศรี อธิการบดีมหาวิทยาลัยพะเยา พร้อมด้วย รองศาสตราจารย์ ปรียานันท์ แสนโภชน์ คณบดีคณะวิทยาศาสตร์และ รองศาสตราจารย์ ดร.ชยันต์ บุณยรักษ์ ผู้อำนวยการโรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยพะเยาร่วมลงนามและเป็นเกียรติในการลงนามบันทึกข้อตกลงความร่วมมือในการดำเนินงานโครงการ วมว. ระยะที่ 2 ระหว่างกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีกับมหาวิทยาลัยที่เข้าร่วมโครงการ วมว. ระยะที่ 2 ทำให้โรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยได้เปิดรับนักเรียนในโครงการดังกล่าวเพิ่มอีก 1 ห้องเรียน ในปีการศึกษา 2558 เป็นรุ่นแรก[5]

ในคราวประชุมสภามหาวิทยาลัย ครั้งที่ 1/2560 เมื่อวันที่ 29 มกราคม พ.ศ. 2560 สภามหาวิทยาลัยมีมติให้เปิดการเรียนการสอน ระดับประถมศึกษา โรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยพะเยา ได้มีการเปิดรับสมัครนักเรียนชั้นประถมศึกษา เพิ่มเติมขึ้นอีก ในปีการศึกษา 2560[6] และเมื่อวันที่ 4 พฤศจิกายน พ.ศ. 2561 สภามหาวิทยาลัยพะเยาได้มีมติให้ปะกาศจัดตั้งโรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยพะเยา เป็นส่วนงานตามมาตรา 7 (4) ตามพระราชบัญญัติมหาวิทยาลัยพะเยา พ.ศ. 2553 ให้มีฐานะเทียบเท่าคณะ ตั้งแต่วันที่ 9 พฤศจิกายน พ.ศ. 2561 เป็นต้นไป[7]