2020年7月12日，臺中市北區育才街2號，臺中一中校門。（張哲生 攝）
1913年，臺灣熱心教育人士以林獻堂、林烈堂、辜顯榮、蔡蓮舫、林熊徵等人為首，創立臺中一中，這五位主要創辦人被稱為「創校五先賢」。當初民間想成立一所專門培育臺人子弟的私立中學，但臺灣總督府答以「此舉涉及政府長期教育政策，不可能由民間創辦」；後改為由民間捐款建築校舍，再捐獻給日本政府，由官方成立以專收臺人子弟為條件的公立中學校。
1915年2月，臺灣總督府公布《臺灣公立中學校官制》，係在臺設立中學校之法源依據。2月3日創立專收臺籍人士的「臺灣公立臺中中學校」，此為臺灣第一所培育臺灣青年的學校，5月1日正式開學。其時校舍尚未完工，第一屆學生假前「臺中尋常小學校」校舍（今臺中女中現址）開學。
1916年，學寮（學生宿舍）及部分教室陸續完工後，遷回現址。
1919年1月，日本內閣發布〈臺灣教育令〉，臺灣教育分為普通教育、實業教育、專門教育、師範教育，遂更名為「臺灣公立臺中高等普通學校」。
1921年，臺灣地方制度變為五州二廳的隔年，學校移交臺中州管轄，改隸為「臺中州立臺中高等普通學校」。
1922年2月，日本內閣公佈《臺灣教育令》第2次修正，實施「日臺共學」，因臺中州立臺中第二中學校（專供日本人就讀，今臺中二中前身）的成立，故再更名為「臺中州立臺中第一中學校」，屬五年制學制。當時臺灣總督府欲將兩校校名對調，但在時任臺中一中校長小豆澤英男堅持下，並沒有被改為「二中」，為當時全臺唯一掛名「一中」卻是專收臺籍子弟之學校。4月19日，因應皇太子裕仁（後來的昭和天皇）來臺巡視，臺中市所有中等學校（臺中一中、臺中二中、臺中師範、臺中商校、臺中州立教員養成所）學生聚集一中校園，等候迎接太子到來。當時為了學校順位問題，一中小豆澤校長與二中柳澤久太郎校長於眾多師生面前起爭執，最後臺中一中學生終於在裕仁太子蒞臨時安排在最前頭。
1925年，臺中一中成立臺灣首支高中軍樂隊（現為管樂社），為全臺歷史最悠久的高中社團。
1945年10月25日，中華民國政府接收日本臺灣總督府轄區後，將臺中一中更名為「臺灣省立臺中第一中學」。
1947年，發生二二八事件，造成學校停課二十天，學生挺身而出，護衛學校和校長、老師安全；將老師移宿學寮的中寮，學生們則分宿北、南及中寮，保護老師免受暴動民眾攻擊。二十多天後，二十一師進駐中部，臺中地區許多師生被捕（如臺中師專校長洪炎秋），軍隊隨後亦衝進一中學校後門，欲搜捕學生，金樹榮校長挺身而出擔保，部隊遂離去。
1948年，教育部部長朱家驊率團抵臺視察，將臺中一中評列為全中國三十九所優良中學之一，當時臺灣僅臺中一中與北一女中入選，獲頒獎金二千元。金樹榮校長喊出口號「爭取第一，保持第一」作為校訓，並以當時的獎金立「毋負今日」碑做為紀念，其意是說已經爭取到了第一，今後應該保持第一。
1954年，因應政府防空政策，於臺中縣豐原鎮設立「翁子分部」。
1955年，將原先設立之夜間部九班，由學校利用原有設備，另增添四間教室，改為日間上課。
1968年，教育廳推行「省辦高中，縣市辦初中」政策，裁撤初中部，並接收臺中市立第一中學高中部的男學生，改制為「臺灣省立臺中第一高級中學」。翁子分部為配合省辦高中政策，接收縣立豐原中學高中部學生，獨立升格為「臺灣省立豐原高級中學」。
1969年，段茂廷校長將日治時期首棟臺人興建的紅樓拆除，改建為莊敬樓，同時第二代校門亦隨著紅樓改建。此一工程造成一中校景無可彌補的巨大損失，以及臺灣教育史的斷裂。
1987年，設立數理資優班。
1996年，設立美術班，80年來首度有女學生入學，並且占了首屆美術班一半以上的名額。
臺中一中在省屬時代，與臺中女中、臺中二中並列臺中市區內的三所省立中學，直至1989年西屯增設文華高中而變為四所，並稱「臺中四省中」。
2000年，因精省改為「國立臺中第一高級中學」，校長聘任由官派改為遴選。
2003年，設立語文資優班。
2005年，拆除人文館，原址新建景賢樓，並於2006年完工。
2007年6月27日，舉行「圖書資訊暨教學大樓」動土典禮。7月12日，圖資大樓動土典禮後，隨即拆除舊慎思樓並興建新教學大樓，完工後定名「慎思樓」。語文與數理資優班改為校內甄選。
2008年7月14日，拆除位於校園中央之圖書館與烹飪教室，原址改為中庭廣場，圖書館改附設於慎思樓。7月，因為大雨造成圖書館藏泡水，損失慘重。
2010年5月，學生因不滿校方取消晚自習及簡化成年禮誓師大會，因發生集體抗議，最後校方恢復開放幾間教室以黑馬班形式讓學生於此進行晚自習及課後輔導。8月，設立科學班。
2015年，逢臺中一中創校百週年校慶，校方與學生會積極籌備校慶活動。校園亦有多項工程，包括於育才街側興建新的溫室植物園、拆除樟園並修復校史館、光中亭之枯山水造景美化、慎思樓前露天舞台、麗澤樓外牆修整與再現外牆浮雕等。6月9日，因應十二年國教多元課程，與臺中女中、臺中二中、文華高中及興大附中簽訂「Taichung Big 5策略聯盟」合約，計畫合作開發課程、跨校選課或共同開課，以提昇教育品質。10月，拆除第三代校門，改善與路面有高低落差之問題。
2016年8月29日，第四代校門落成啟用。
2017年1月，改隸臺中市政府，更名為「臺中市立臺中第一高級中等學校」。9月29日，承辦107年國中教育會考全國試務會，並於該日正式揭牌成立。
2019年5月13日，公告「學生政黨法」，校內學生可進行組黨登記，參與學生自治事務，為臺灣第一所可成立校內政黨的高中。
2020年6月21日，興大附中教務主任林隆諺自臺中市高中校長遴選委員會出線，成為臺中一中第一位校友校長。
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