โรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัย เป็นโรงเรียนที่กรมสามัญศึกษาจัดตั้งขึ้นเพื่อเฉลิมพระเกียรติเนื่องในวโรกาสที่ ศาสตราจารย์ ดร.สมเด็จพระเจ้าลูกเธอเจ้าฟ้าจุฬาภรณวลัยลักษณ์อัครราชกุมารี ทรงเจริญพระชนมายุครบ 3 รอบ ในวันที่ 4 กรกฎาคม 2536 ด้วยสำนึกในพระกรุณาธิที่ทรงมุ่งมั่นส่งเสริมคุณภาพชีวิตในด้านความเป็นอยู่และการศึกษาของประชาชน โดยเฉพาะในท้องถิ่นห่างไกล โดยให้โอกาสแก่เยาวชนที่มีความสนใจและมีความสามารถด้านวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีและสิ่งแวดล้อม ได้ฝึกฝนความรู้ความสามารถด้านนี้เป็นพิเศษตั้งแต่เยาว์วัย

     ดังนั้นกรมสามัญศึกษาในฐานะหน่วยงานที่รับผิดชอบการจัดการศึกษา ในระดับมัธยมศึกษา ได้ประกาศจัดตั้งโรงเรียนเฉลิมพระเกียรติ ศาสตราจารย์ ดร.สมเด็จพระเจ้าลูกเธอเจ้าฟ้าจุฬาภรณวลัยลักษณ์อัครราชกุมารี จำนวน 12 โรงเรียน ในทุกเขตการศึกษา ปีการศึกษา 2536 จัดตั้ง 4 โรงเรียน คือ นครศรีธรรมราช ตรัง เชียงราย และ บุรีรัมย์ ปีการศึกษา 2537 จัดตั้ง 4 โรงเรียน คือ มุกดาหาร เพชรบุรี สตูล และ เลย ปีการศึกษา 2538 จัดตั้ง 3 โรงเรียน คือ ลพบุรี พิษณุโลก และ ปทุมธานี ปีการศึกษา 2539 จัดตั้ง 1 โรงเรียน คือ ชลบุรี

     ได้รับพระราชทานนามว่า โรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัย ต่อท้ายด้วยชื่อจังหวัดที่เป็นสถานที่ตั้งของโรงเรียน พร้อมทั้งพระราชทานแผ่นศิลาฤกษ์โรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัย ดำเนินการจัดพิธีวางศิลาฤกธิ์พร้อมกันทั่วประเทศ เมื่อวันพุธที่ 17 มกราคม 2539

      

     ในปี พ.ศ.2551 สำนักงานคณะกรรมการการศึกษาขั้นพื้นฐานร่วมกับโรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์จัดการเรียนการสอนหลักสูตรวิทยาศาสตร์ของโรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ที่โรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัยในระดับมัธยมศึกษาตอนปลาย โรงเรียนละ 1 ห้องเรียน ห้องเรียนละ 24 คน โดยมีโรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์เป็นโรงเรียนต้นแบบ และพัฒนาบุคลากร รวมทั้งควบคุมการใช้หลักสูตรให้เป็นไปตามมาตรฐานของหลักสูตร และในปี พ.ศ.2552 สำนักงานคณะกรรมการศึกษาขั้นพื้นฐานพิจารณาแห่งว่า โรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัยทั้ง 12 โรงเรียนสามารถจัดการเรียนการสอนตามหลักสูตรวิทยาศาสตร์ได้มาตรฐานเดียวกันกับโรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์จึงประกาศ ณ วันที่ 18 กุมภาพันธ์ พ.ศ.2552 ให้โรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัยทั้ง 12 แห่งเป็นโรงเรียนวิทยาศาสตร์ภูมิภาค

     ต่อมาเมื่อวันที่ 25 พฤศจิกายน พ.ศ.2553 คณะรัฐมนตรีได้เห็นชอบข้อเสนอของกระทรวงศึกษาธิการ ให้ดำเนินการพัฒนากลุ่มโรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัยให้เป็นโรงเรียนวิทยาศาสตร์ภูมิภาค เพื่อเพิ่มโอกาสให้กับผู้มีความสามารถพิเศษด้านคณิตศาสตร์และวิทยาศาสตร์ซึ่งมีกระจายอยู่ในทุกภูมิภาคทั่วประเทศ เน้นการให้โอกาสกับผู้มีความสามารถพิเศษที่ขาดแคลนทุนทรัพย์ในภูมิภาค ตลอดจนพัฒนา ปรับปรุง ส่งเสริม ให้โรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัยทั้ง 12 แห่ง มีมาตรฐานเทียบเท่าโรงเรียนวิทยาศาสตร์ชั้นนำของนานาชาติ และมีมติให้จัดตั้งคณะกรรมการบริหารโครงการพัฒนาโรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัยให้เป็นโรงเรียนวิทยาศาสตร์ภูมิภาค

      จากนั้น กลุ่มโรงเรียนจึงเริ่มรับนักเรียนเข้าเรียนในหลักสูตรโรงเรียนวิทยาศาสตร์ภูมิภาคเป็นรุ่นแรกในปี พ.ศ.2554 ในระดับชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 1 โรงเรียนละ 1 ห้องเรียน 24 คน (จัดสอบใหม่โดยโรงเรียน) และระดับชั้นมัธยมศีกษาปีที่ 4 โรงเรียนละ 2 ห้องเรียน (โดยใช้บัญชีรายชื่อนักเรียนที่เคยสมัครสอบของโรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์) แต่ละห้องมีนักเรียน 24 คน รวม 48 คน  ต่อมาในปี พ.ศ.2555 – 2556 มีการปรับการรับนักเรียนใหม่ แบ่งระดับชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 1 โรงเรียนละ 4 ห้องเรียน ห้องเรียนละ 24 คน รวม 96 คน และระดับชั้นมัธยมศีกษาปีที่ 4 โรงเรียนละ 4-6 ห้องเรียน ห้องเรียนละ 24 คน โดยใช้การรับนักเรียนร่วมกับโรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ และตั้งแต่ปีการศึกษา 2557 เป็นต้นมา ทุกโรงเรียนปรับการรับนักเรียนเป็นไปตามแผนการรับนักเรียน กล่าวคือ ระดับชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 1 โรงเรียนละ 4 ห้องเรียน ห้องเรียนละ 24 คน รวม 96 คน และระดับชั้นมัธยมศีกษาปีที่ 4 โรงเรียนละ 6 ห้องเรียน ห้องเรียนละ 24 คน รวม 144 คนต่อปีการศึกษา

     ในวันที่ 9 มีนาคม พ.ศ.2558 สำนักงานคณะกรรมการการศึกษาขั้นพื้นฐานได้จัดตั้งศูนย์บริหารโครงการพัฒนาโรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัยให้เป็นโรงเรียนวิทยาศาสตร์ภูมิภาค มีสถานะเป็นกลุ่มงานภายในสำนักวิชาการและมาตรฐานการศึกษา เพื่อประสานการดำเนินงานโครงการของคณะกรรมการโครงการฯ กับโรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ มหาวิทยาลัย นักวิชาการ หน่วยงานต่าง ๆ รวมถึงผู้บริหารและบุคลากรของโรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัย ตลอดจนดำเนินการต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง ต่อมา เปลี่ยนชื่อเป็นศูนย์พัฒนาโรงเรียนวิทยาศาสตร์ เมื่อวันที่ 30 มีนาคม พ.ศ.2560