Hà Nội là thành phố có hệ thống trường trung học phổ thông (phổ thông trung học) hay còn gọi là các trường cấp 3 rất đa dạng, bao gồm 200 trường THPT công lập, bán công và dân lập. Trong số đó có một số trường được coi là có chất lượng đào tạo hàng đầu cả nước, là nơi tập trung nhiều học sinh phổ thông ưu tú không chỉ của Hà Nội mà còn của toàn miền Bắc. Đa số các trường này thuộc sự quản lý của Sở Giáo dục và Đào tạo Hà Nội; tuy nhiên cũng có trường không chịu sự quản lý này mà trực thuộc các trường đại học. Giáo dục trung học phổ thông nhằm giúp học sinh củng cố và phát triển những kết quả của giáo dục trung học cơ sở, hoàn thiện học vấn phổ thông và những hiểu biết thông thường về kĩ thuật và hướng nghiệp để tiếp tục học đại học, cao đẳng, trung học chuyên nghiệp, học nghề, hoặc đi vào cuộc sống lao động.
Giáo dục trung học phổ thông có thời gian ba năm học, từ lớp mười đến lớp mười hai. Để vào lớp 10, học sinh phải tốt nghiệp trung học cơ sở và vượt qua kì thi tuyển chọn học sinh vào cấp 3 với một số điểm nhất định tùy theo từng trường THPT quy định. Kì thi diễn ra vào giữa tháng 6 hàng năm do Sở Giáo dục và Đào tạo tổ chức, bao gồm 2 môn Toán và Ngữ văn. Các trường THPT trực thuộc đại học sẽ tổ chức thi riêng, do chính các trường này tổ chức, thường diễn ra vào cuối tháng 5 hàng năm. Mỗi trường THPT lại có một điểm chuẩn đầu vào khác nhau và có thể thay đổi theo các năm tùy vào điều kiện của nhà trường.
Để tốt nghiệp bậc THPT, học sinh phải vượt qua kỳ thi tốt nghiệp THPT vào cuối năm học lớp 12. Sau khi tốt nghiệp hệ giáo dục này, học sinh được nhận bằng Tốt nghiệp Phổ thông trung học.
Trường THPT dạy các môn học mang tính phổ thông, cơ bản, nhưng ngày nay bên trong trường còn tổ chức các lớp chọn, lớp chuyên; một số trường trung học là trường chuyên, chỉ đào tạo các học sinh năng khiếu. Nội dung chương trình đào tạo bao gồm 13 môn chính và 1 môn tự chọn (tin học, may, đan,...), học sinh có chứng chỉ nghề
được cộng điểm khi xét tốt nghiệp THPT. Một năm học được chia làm hai học kỳ, học kỳ đầu thường bắt đầu vào đầu tháng chín kéo dài tới trước tết âm lịch; học kỳ hai bắt đầu từ sau tết âm lịch cho tới tháng năm năm sau.