Trường THPT Định Hóa ra đời trong những năm đầu của cuộc kháng chiến chống Mỹ cứu nước, với nhiệm vụ chính trị là xây dựng môi trường học tập bậc THPT đáp ứng yêu cầu tạo nguồn nhân lực cho đồng bào các dân tộc vùng An toàn khu (ATK). Vừa đáp ứng yêu cầu dạy tốt, học tốt, vừa tổ chức xây dựng trường, lớp trong hoàn cảnh sẵn sàng ứng phó với các tình huống chiến tranh, các thế hệ cán bộ, giáo viên Nhà trường đã xây dựng nơi đây trở thành chiếc nôi tạo nguồn nhân lực cho quê hương cách mạng.
Trường THPT Định Hóa tiền thân là Trường cấp II-III Định Hóa được thành lập năm 1960, tại khu đồi Chè, xã Bảo Cường. Dưới tán rừng cọ, những lớp học tranh tre, vách đất đơn sơ được giáo viên, học sinh và nhân dân chung tay tạo dựng đón 42 học sinh đầu tiên vào lớp 8. Trong ánh đèn dầu, khi thì đốt đuốc, các thầy cô giáo cùng học sinh đã vượt qua khó khăn để duy trì tổ chức lớp học và cùng chính quyền địa phương vận động học sinh đến lớp.
Đến năm học 1962-1963, Trường có thêm có 1 lớp 8 , 1 lớp 9 , 1 lớp 10 với 145 học sinh và 10 thầy, cô giáo; đến năm học 1964-1965, Trường chính thức mang tên Trường cấp III Định Hóa. Liên tục từ năm 1964 đến năm 1975, Nhà trường đã nhiều lần phải sơ tán đi nhiều nơi, như Làng Chùa, Phượng Tiến... Đã có những lúc lớp học phải tổ chức ngay trong hầm tránh bom đạn, nhưng vẫn bảo đảm an toàn và hoàn thành nhiệm vụ học tập. Những năm tháng gian khó ấy, song song với nhiệm vụ học tập, Nhà trường đã có hàng nghìn học sinh ưu tú xếp bút nghiên lên đường ra trận chiến đấu bảo vệ Tổ quốc. Nhiều học sinh của Trường đã trở thành cán bộ chỉ huy của quân đội nhân dân Việt Nam, và Trường cũng đã có 80 học sinh trở thành Anh hùng liệt sĩ hy sinh vì độc lập tự do của Tổ quốc.
Giờ sinh hoạt ngoại khóa môn Lịch sử theo hướng giáo dục STEM tại Di tích lịch sử Nhà tù Chợ Chu.
Sau đại thắng mùa Xuân 1975, đất nước thống nhất, đi lên xây dựng chủ nghĩa xã hội, Trường trở lại xây dựng với quy mô đào tạo mở rộng, đáp ứng nhu cầu học tập nâng cao của nhân dân với 16 lớp học và trên 700 học sinh. Đây cũng là giai đoạn mới, bắt đầu cho mục tiêu đào tạo nguồn nhân lực địa phương tập trung tái thiết đất nước và phát triển kinh tế - xã hội, đồng thời nâng cao chất lượng dạy và học theo mục tiêu đào tạo nhân lực và bồi dưỡng nhân tài. Theo đó, từ 1980-2000, quy mô đào tạo của nhà trường liên tục được mở rộng, tăng từ 1.000 lên 1.500 học sinh, đảm bảo tiêu chuẩn tuyển sinh đầu vào. Chính vì vậy, chất lượng giáo dục ngày một nâng lên.
60 năm xây dựng và phát triển, đến nay, Nhà trường đã phát triển với quy mô 39 lớp với trên 1.500 học sinh, 109 cán bộ, giáo viên. Cơ sở vật chất được đầu tư xây dựng khang trang, hiện đại. Trong những năm qua, Nhà trường đặc biệt quan tâm đến nâng cao chất lượng giáo dục toàn diện, đến nay 100% giáo viên Nhà trường đã đạt chuẩn, trong đó 20 giáo viên có trình độ thạc sĩ; 24 giáo viên dạy giỏi cấp tỉnh. Nhiều năm liên tục, Nhà trường có tỷ lệ học sinh đỗ tốt nghiệp vượt kế hoạch và tỷ lệ học sinh thi đỗ tốt nghiệp đại học, cao đẳng luôn đạt cao trong hệ thống các trường THPT thuộc các huyện miền núi. Từ ngôi trường này, nhiều thế hệ học sinh đã trưởng thành và nắm giữ nhiều chức vụ quan trọng ở Trung ương và địa phương.
Với truyền thống 60 năm xây dựng và phát triển, các thế hệ giáo viên, học sinh Trường THPT Định Hóa đã phát huy truyền thống hiếu học của quê hương Định Hóa. Trong 10 năm trở lại đây (2010-2020), chất lượng giáo dục toàn diện của Trường không ngừng được nâng cao. Tính từ năm học 2010-2011, đến nay toàn trường có gần 200 lượt học sinh đạt giải học sinh giải cấp tỉnh các môn. Số giáo viên giỏi các cấp, danh hiệu giáo viên đạt Chiến sĩ thi đua, Lao động tiên tiến của Nhà trường không ngừng tăng, từ năm học 2010-2011 đến nay có 130 lượt cán bộ, giáo viên nhà trường đạt chiến sĩ thi đua cấp cơ sở, trong đó có nhiều tấm gương nhà giáo đạt danh hiệu Chiến sĩ thi đua cấp tỉnh được Bộ GD&ĐT tặng bằng khen.
60 năm qua, đã có hàng chục nghìn học sinh trưởng thành từ mái trường thân thương này. Truyền thống đoàn kết, vượt khó như sợi dây kết nối quá khứ với tương lai, góp phần tạo nên tình cảm đặc biệt của các thế hệ giáo viên, học sinh trưởng thành từ chiếc nôi tạo nguồn nhân lực vùng chiến khu xưa.