ปีการศึกษา 2494 กระทรวงศึกษาธิการมีโครงการสร้างโรงเรียนฝึกหัดครูอีกแห่งหนึ่ง ที่ตำบลพญาไท อำเภอดุสิต จังหวัดพระนคร ต่อมาเนื่องจากสภาพความจำเป็นเกี่ยวกับสถานที่เรียนของนักเรียนมัธยมมีไม่เพียงพอ กระทรวงศึกษาธิการ จึงโอนโรงเรียนที่กำลังสร้างนี้ให้เป็นโรงเรียนมัธยมของ กรมวิสามัญ (ในเวลานั้น) ใช้ชื่ออย่างไม่เป็นทางการว่า“โรงเรียนรางน้ำ” แต่งตั้ง นายดัด จันทนะโพธิ  ปฏิบัติหน้าที่ครูใหญ่และได้ย้ายนักเรียนชาย  จำนวน 57 คน  ที่ฝากเรียนไว้ที่โรงเรียนวัดราชาธิวาส  มาเรียนที่นี่ ต่อมา ปีการศึกษา 2495 หม่อมหลวงปิ่น มาลากุล รัฐมนตรีว่าการกระทรวงศึกษาธิการในสมัยนั้น ได้ตั้งชื่อโรงเรียนอย่างเป็นทางการว่าโรงเรียนศรีอยุธยา มีนายพงษ์ แสงทอง เป็นครูใหญ่คนแรก และในปีเดียวกันนั้นเองได้มีนักเรียนหญิงจำนวนหนึ่งเข้าไปเรียน แต่ไม่ได้รวมเป็นโรงเรียนเดียวกัน ฝ่ายโรงเรียนหญิงได้มอบหมายให้ น.ส.เศวต จึงเจริญ เป็นครูใหญ่

ครั้นต่อมาเมื่อวันที่ 1 กรกฎาคม พ.ศ. 2496 กรมวิสามัญศึกษาได้ส่งนักเรียนชายซึ่งไม่มีที่เรียนและคุรุสภารับไว้ ตั้งแต่ชั้น ม.1-ม.6 เข้าไปเรียนเพิ่มเติมจนสถานที่คับแคบ กระทรวงศึกษาธิการจึงได้จัดหาซื้อที่ดินของเอกชนมรดกของพระยาเพชรปรานี จำนวน 3 แปลง รวมเนื้อที่ 22 ไร่ 1 งาน 44 ตารางวา เพื่อแยกโรงเรียนและเริ่มก่อสร้างเมื่อวันที่ 16 เมษายน พ.ศ. 2497 และได้ย้ายนักเรียนชายจากโรงเรียนศรีอยุธยามาเข้าเรียนเมื่อวันที่ 15 เมษายน พ.ศ. 2498 ให้ชื่อโรงเรียนอย่างเป็นทางการว่า "โรงเรียนสามเสนวิทยาลัย"และแต่งตั้ง นายทิม ผลภาค เป็นครูใหญ่คนแรกเพื่อที่จะให้ครู-อาจารย์ นักเรียนเก่า ตลอดจนผู้ปกครองนักเรียนของโรงเรียนสามเสนวิทยาลัย ได้ระลึกและมองเห็นความสำคัญของโรงเรียน ผู้อำนวยการโรงเรียนหลายท่านมีความเห็นว่า ควรที่จะจัดงานวันที่ระลึกโรงเรียนขึ้น หากจะกำหนดเอาวันที่ 15 เมษายน (วันที่ 15 เมษายน ๒๔๙๘ เป็นวันที่โรงเรียนได้รับการตั้งชื่ออย่างเป็นทางการว่า "โรงเรียนสามเสนวิทยาลัย") เป็นวันที่ระลึกของโรงเรียน ก็ไม่สะดวกในการจัดและการนัดหมายต่างๆ

ในสมัยที่ อาจารย์เจือ หมายเจริญ ดำรงตำแหน่งผู้อำนวยการ ได้มีการปรึกษากันในเรื่องนี้อย่างจริงจังจากทุกฝ่าย ด้วยเหตุผลที่ถือว่านักเรียนเป็นองค์ประกอบที่สำคัญ จึงถือกำหนดเอาวันก่อตั้งสมาคมนักเรียนเก่าสามเสนวิทยาลัย วันที่ 28 มกราคม เป็นวันที่ระลึกของโรงเรียนและจัดงานนี้ขึ้นเป็นครั้งแรก เมื่อวันที่ 28 มกราคม 2526 และจัดให้มีขึ้นสืบต่อมาทุกปีโดยตลอด เรียกวันสำคัญนี้ว่า "วันสามเสนวิทยาลัย"กิจกรรมสำคัญ ที่จัดให้มี คือ การทำบุญตักบาตรพระภิกษุ จำนวน 99 รูป ร่วมกันทั้งครู-อาจารย์ นักเรียน กรรมการสมาคมนักเรียนเก่าสามเสนวิทยาลัย สมาคมผู้ปกครองและครูโรงเรียนสามเสนวิทยาลัย มูลนิธิโรงเรียนสามเสนวิทยาลัย และผู้ปกครองนักเรียน นอกจากนั้นยังมีพิธีมอบเครื่องหมายเกียรติคุณแก่ครู-อาจารย์ นักการภารโรง ที่ปฏิบัติงานมาเป็นเวลานาน มีผลงานดีเด่นในแต่ละปี โดยปฏิบัติงานด้วยความวิริยะ อุตสาหะ เพื่อความเจริญก้าวหน้าของโรงเรียนอีกกิจกรรมหนึ่งด้วยทุกปี

ในปี 2505 เริ่มเปิดชั้นเรียนเตรียมอุดมศึกษาปีที่ 1 (ม.7) ในปีนี้ โรงเรียนโด่งดังในด้านกีฬ่า โดยเฉพาะฟุตบอลอย่างมาก จนที่เป็นกล่าวขวัญของบุคคลภายนอกและมีแฟนคลับทีมฟุตบอลของโรงเรียนเรื่อยมา

ต่อมาในปีการศึกษา 2510 กระทรวงศึกษาธิการได้คัดเลือกโรงเรียนสามเสนวิทยาลัย เป็นโรงเรียนแรกและโรงเรียนเดียว ซึ่งใช้หลักสูตรโครงการมัธยมศึกษาแบบประสม (คมส.) และได้เปลี่ยนเป็นโรงเรียนสหศึกษานับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา

ในปีการศึกษา 2538 โรงเรียนได้มีโรงเรียนสาขาของโรงเรียนสามเสนวิทยาลัยชื่อ "โรงเรียนราชนันทาจารย์ สามเสนวิทยาลัย 2"

ในปีการศึกษา 2547 โรงเรียนได้เปิดหลักสูตรการเรียนการสอน "โครงการห้องเรียนพิเศษวิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์" หรือ MSEP เป็นปีการศึกษาแรก

ในปีการศึกษา 2548 โรงเรียนได้เปิดหลักสูตรการเรียนการสอน "โครงการจัดการเรียนการสอน ตามหลักสูตรกระทรวงศึกษาธิการ เป็นภาษาอังกฤษ" หรือ English Program เป็นปีการศึกษาแรก

ในปีการศึกษา 2554 โรงเรียนได้เปิดหลักสูตรการเรียนการสอน "โครงการจัดการเรียนการสอน คณิตศาสตร์ วิทยาศาสตร์ ภาษาอังกฤษและคอมพิวเตอร์เป็นภาษาอังกฤษโดยครูไทย" หรือ EIS เป็นปีการศึกษาแรก

ในปีการศึกษา 2557 โรงเรียนได้เปิดหลักสูตรการเรียนการสอน "โครงการห้องเรียนพิเศษวิทยาศาสตร์สำหรับนักเรียนมัธยมศึกษาตอนต้น" เป็นปีการศึกษาแรก