学校设5年制甲、乙、丙、丁四个班。校址在文昌门街副爷巷原桂林守备衙门（今文明路人民医院处）。首任监督（校长）沈赞清。1912年，辛亥革命后，该校改名为“县立桂林中学校”。
1918年，该校更名为“广西省立第三中学校”。
1923年8月，广西全省中学改行“三三”新学制，该校始招三年制初中班。
1926年8月，该校始招三年制高中班。
1928年秋，该校次迁址，自副爷巷迁崇德街（今解放西路），原桂林文庙、武庙、刘长佑祠、桂林道伊公署、榕湖经舍和桂林府学等处合为该校的新校舍（即该校现校址）。
1929年9月，广西省立第二师范学校归并该校，该校原有的实验小学及幼稚园等亦隶属于该校，全校规模达60余班。
1931年8月，该校高初中分校，高中部改名为“广西省立第三高级中学”，位于王城第二师范旧址（今广西师大本部）；初中部改名为“广西省立第三初级中学”，仍在崇德街。
1934年秋，桂林县立桂山中学归并于广西省立第三初级中学，改名为“广西省立桂林初级中学”。广西省立第三高级中学则改名为“广西省立桂林高级中学”。
1936年8月，桂林高中迁址到良丰雁山西林公园。同在西林公园的广西省立师范专科学校于同年9月改为广西大学文法学院，桂林高中遂改隶广西大学，更名为“广西大学第二附属高级中学”。
1937年春，抗日战争前夕，在该校进步学生中开始建立了中国地下组织。
1937年春，广西大学文法学院迁出良丰雁山西林公园（迁址桂林市李子园，即今乐群路桂林医学院处）。桂林高中恢复原校名“广西省立桂林高级中学”。
1938年秋，广西省立桂林高级中学从良丰搬回崇德街与广西省立桂林初级中学合并，更名为“广西省立桂林中学”，恢复完中建制。
1939年，日本侵略军占领武汉、广州后，对桂林进行轰炸。桂林中学将初中部一分为二，分别迁往临桂县的会仙乡和永福县的罗锦乡，当时称“会仙分校”和“罗锦分校”。
1941年春，罗锦分校结束。会仙分校则改为“广西省立临桂初级中学校”。桂林中学本部恢复招收初中班，仍为完全中学。
1944年秋，日军南侵，桂林沦陷。该校疏散于临桂的五通、宛田和龙胜之间。崇德街校舍大部分被焚毁，学校的图书仪器损失殆尽。
1945年9月，抗战胜利，该校在崇德街校址重建校舍，恢复上课。直到中华人民共和国成立，一直沿用“广西省立桂林中学”校名。
1947年6月2日、6月4日，桂林中学学生参加了全市的反对反动统治的“反内战、反饥饿、反迫害”大游行。
1949年4月，桂林中学教师秦强被饿死，全校学生举行了反对政府迫害教师的“抬棺大游行”。
在解放战争时期，不少桂林中学学生在的教育下，投身人民革命事业。在革命斗争中光荣牺牲的有：刘俊民、刘德鸿、苏武杰、李应林（女）、陈保民、杨庆祝、刘美荆、吴培梅、黄觉先等。
1949年12月，桂林市人民政府接管该校，并将“广西省立高级商业职业学校”合并到该校，校名定为“广西省桂林中学”。解放后的首任校长为汤松年。
1951年8月，广西省文教厅决定南宁中学、南宁一中、桂林中学、博白中学等4所中学为试用苏联5科教材（俄语、数学、物理、化学、生物）的重点学校。
1953年5月，广西省教育厅选定南宁高中、南宁一中、桂林中学、博白中学、柳州中学、百色中学、廉州中学、玉林高中等8所中学为广西重点办好的中学。
1953年9月，该校改名为“广西省桂林高级中学”。
1954年3月，该校建立中国桂林高中支部，首任支部书记巫摩白。
1958年春，为贯彻教育同生产劳动相结合的方针，该校由解放西路迁到桂林市西郊甲山办学，开始办工厂，办农场。
（附注：甲山校区，早为李宗仁夫人郭德洁所建的“德智中学”校址；解放后，原“德智中学”合并到穿山桂林一中，该处设“广西革大”；20世纪50年代中期，该处又为“越南育才学校”所用；1958年“越南育才学校”搬回国，桂林中学进入。）
1959年8月，学校改名为“桂林市桂林中学”。
1960年6月，全国教育和文化、卫生、体育、新闻方面社会主义建设先进单位和先进工作者代表大会在北京举行，简称"全国文教群英会"。桂林中学作为广西的代表单位参加了这次大会。
1963年5月，广西区教育厅对省重点中学进行调整。在26所省重点中学中，确定了包括桂林中学在内的9所学校（另有南宁二中、南宁三中、柳州高中、柳铁一中、师院附中、梧州高中、玉林高中、百色高中等8所），为批重点办好的学校。
1966年11月，又因越南战争，越南育才学校第二次从越南搬到桂林市，再进西郊甲山。该校由甲山迁到东郊猫儿山（原广西师院生物系中文系址）办学。到1968年9月，越南育才学校迁往桂林东郊三里店新校区之后，该校复迁回甲山。
文化大革命期间，桂林中学和其他重点中学一样，遭受严重破坏，教学质量严重下降，自治区重点名存实亡。
1974年，该校被确定为对外开放单位。
1978年秋，该校重新被确定为广西区重点中学。
1981年7月，该校由西郊甲山迁回解放西路原址。
1982年，桂林中学被评为“全国青少年科技活动先进集体”。
1985年，该校举办80周年校庆活动。整理印制了《桂林中学校志》、《桂林中学校友通讯录》，设立了“桂林中学校史陈列室”，成立了“桂林中学校友理事会”（会长钟文典）。
1988年，桂林中学获得国家教委授予的“德育先进校”称号。
1992年，经广西区教委推荐，广西16所重点中学中的8所被评为“中国名校”。桂林中学入选。（其他7所中学是：玉林高中、廉州中学、南宁二中、南宁三中、柳地高中、柳州高中、梧州高中）
1993年，桂林中学获得国家教委、国家体委授予的“全国贯彻体育工作条例先进学校”称号。
1995年，学校举办90周年校庆活动。重新补充整理印制了《桂林中学校志》、《桂林中学校友通讯录》，印制了《桂林中学90周年校庆特刊》。
1999年秋，按国家教育部《示范性普通高中评估验收标准》须高初中分设的要求，桂林中学停止招收初中生。至2001年，一届初中毕业。
2001年，桂林中学被评为“全国第二批现代教育技术实验学校”。
2002年秋，经桂林市教育局批准，该校恢复向桂林市辖12个县招收学生。当年在12县招收学生一个班，学生50名。
2003年5月，桂林中学被评为广西首批“自治区示范性普通高中”。
2003年8月，桂林中学校园改造一期工程完成（图书楼、办公楼、教学楼、实验楼、学生宿舍综合楼），二期工程启动（运动场、体育馆、食堂综合楼、文化广场、地下停车场、科技艺术楼），计划2005年6月完成（除科技艺术楼外），迎接学校百年大庆。
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