本校創立於民國24年4月20日（日據時代昭和10年4月20日），校名為「私立台北國民中學」，校址暫借於臺北市公會堂（今之中山堂）附近之成淵學園（今之臺北市武昌街中央信託之地址），第一任校長堀再平先生於5月2日就職 。 

民國27年改制，校名改為「私立台北國民中學校」，校址遷至大龍峒（今之臺北市立啟聰學校）。 

民國34年台灣光復後，改名為「私立大同中學」，並由劉克明先生出任校長。 

民國35年4月，私立大同中學由臺北市政府接管，更名為「台北市立大同中學」，任命朱昭陽先生擔任校長，並設置高中部、初中部，校址遷至臺北市仁愛路幸安國小（借用幸安國小之校舍）。 

民國35年9月，朱前校長調職，政府任命吳石山先生接任校長之職；民國36年，因學生逐年增加，結果校舍不敷使用，乃將高中部學生遷入臺北市新生南路（臺北市立金華國中現址）；民國39年5月，復將初中部遷入。 

民國39年12月吳前校長調職，徐向榮先生接任校長。 本校自民國39年遷入新生南路校址以後，各項工作順利展開，校務蒸蒸日上，學生人數激增；為因校舍不敷使用，乃於43學年度開辦初中夜間部，繼至46學年度復開辦高中夜間部；如是年復一年，校舍愈感不敷，教育當局乃覓定臺北市長春路附近約八甲土地作為本校校址，於民國47年7月遷入；本校校歌即為徐向榮校長親自作詞。

民國50年6月，徐前校長調職，政府調派鄭世洵先生接任校長。本校原為完全中學，因政府實施「省辦高中，市辦初中」之教育決策，本校奉命於民國50年秋，將高中部十班學生分別移交省立建國中學及省立師大附中（各分五班）。民國57年8月，政府延長義務教育為九年，本校奉命改為「台北市立大同國民中學」，取消夜間部，學生乃轉入日間部就學。 

民國61年8月鄭前校長調職，市府調派陳登瑞先生接任校長，除積極充實各項教學設備外，並完成游泳池及科學實驗大樓硬體設備工程。 

民國69年8月陳前校長調職，市府調派周來香先生接掌本校。民國72年增辦補校。周校長不但建立主動敏捷的行政，佈置優美適當的學習環境，執行教學正常化政策，推展五育均衡發展之教育，充實各項設備。並爭取經費籌畫75年度校舍更新計劃，並發包第一期工程、奠定更新基礎。 

民國76年8月周前校長調升啟智學校，林忠廉先生奉派接掌本校，除繼續竭力執行本校校舍後續改建計劃，發包第二期工程，校舍改建計劃修建運動場、加強充實各項教學設備，力求提高教學效率。 

民國79年8月林前校長調升啟聰學校，吳英聲先生奉派接掌本校，繼續一、二期未完成之活動中心及專科教室工程，使工程於81年5月如期竣工驗收，並將更新計劃予以統整擬定三、四期共六年之中程計劃，完成改建校門、地下水道、大同道、校園填高等工程。民國81年3月奉命改制高中。

民國81年3月，本校奉命自81年7月1日起改制為「臺北市立大同高級中學」，首任校長由吳英聲校長升任，增設高中部十班，並兼辦國中部三十五班。重整更新計劃為三、四、五期中程更新計劃，包含：行政大樓發包興建、高國中教室及辦公室、專科教室之發包興建，並改善原二樓教室十四間、科學樓、圖書館工程，整頓大同道綠化工程、地下水道工程、游泳池工程等。吳校長積極擘畫現代化的教學環境，務使五育均衡發展，教學正常化的目標達成。 

民國86年8月，何校長接掌本校，竭力倡導團結契諧、奮發上進的大同精神；並整合社會各項資源，以協助校務發展。 積極提升本校資訊設備、推動全校教職員人人有電腦、班班有單槍，為全國第一所全校校園皆為無線網路的高中，亦是全國第一所電子書包實驗學校。並成立體育班、加強第二外語能力、規劃六年一貫課程，以培養主動積極、富創造力、思考力、熱心助人、追求卓越的領導人才為主要教育目標。何校長退休後為鼓勵大同學子，慷慨捐贈60萬元作為獎學金。 

民國94年8月，李慶宗校長接掌本校，凝聚共識建立「培育未來領袖、社會菁英」之發展願景，營造大同成為卓越的、公義的、人文的優質高中，並以「追求卓越」、「秉持公義」、「尊重多元」、「均衡發展」為校務發展的四大理念。96學年度成立「英文實驗班」及「數學實驗班」，建置全國高中第一座400公尺藍色跑道操場、任內四位教師榮獲臺北市特殊優良教師殊榮。民國98年、100年創下大學學測滿級分紀錄，民國99年首位應屆畢業生錄取臺大醫學系。致力開啟學生多元學習之門。推展校務蒸蒸日上。 

民國101年8月，李校長轉任成功高中，王意蘭女士接任校長。王校長以全人教育理念經營校務，致力於發展校本特色課程。以「文化涵養、創意加值、領導培育」學程為主軸，鼓勵學生多元試探、激發潛能、深化學習。帶領全校師生通過教育部優質高中認證，榮獲臺北市教學卓越獎。與大學端進行教育合作策略聯盟、設置健康樂食館，全面整修廁所。榮獲交通安全教育全國金安獎第一名，任內的高中校務評鑑，六個向度皆榮獲一等獎。提供學生多元發展機會，強化國際教育與交流，開創新局，邁向卓越。

民國105年8月，王校長榮退，莊智鈞先生接任校長。莊校長致力孕育「人文與藝術涵養、科學與數位能力、社會關懷與全球視野」的榕城之子。面對108新課綱，以「學習」為核心，透過各項課程及多元活動展能，培養學生5C核心能力。在既有特色班級基礎下，積極拓展國際教育，與東京都立狛江高校、英國薩里大學等海外知名學校締結姐妹校及簽訂合作協議。連續榮獲優質學校、教師榮獲臺北市super教師special獎、特殊優良教師獎。重視學生品格，海內、外升學成績亮眼，適性揚才。戮力創新，引領學校向上，為學生擘劃璀璨未來。

民國111年8月，莊校長轉任建國高中，柯明樹先生接任校長。柯校長積極辦學，教學以學生為中心，以教師為夥伴，以家長為教學後盾，以尊重關懷為態度，以全人教育為目標。致力持續精緻校本特色課程，並推動課程成果多元展能，使每一位從大同畢業的學子能擁有紮實的學科基礎、社會關懷的人文素養以及多元與全球視野的國際觀，彰顯大同博雅品牌特色。