Trường THPT Chuyên Nguyễn Tất Thành được thành lập với tiền thân là các lớp chuyên Toán của tỉnh Hoàng Liên Sơn được hình thành từ năm học 1977-1978 đặt đầu tiên ở trường phổ thông trung học Lào Cai rồi chuyển về trường phổ thông trung học Lý Thường Kiệt, thị xã Yên Bái. Ngày 10/10/1989, trường THPT chuyên Hoàng Liên Sơn được thành lập theo Quyết định số 89/QĐ của Chủ tịch UBND tỉnh Hoàng Liên Sơn. Khi tỉnh Hoàng Liên Sơn tách thành 2 tỉnh Lào Cai và Yên Bái, trường đổi tên thành Trường THPT chuyên Yên Bái. Từ ngày 05/02/2001, trường vinh dự được mang tên Trường Trung học phổ thông Chuyên Nguyễn Tất Thành, theo Quyết định số 71/QĐ-UBND của UBND tỉnh Yên Bái.
Đến năm học 2014-2015 này, mô hình giáo dục THPT chuyên của tỉnh đã trải qua chặng đường 37 năm. Hiện nay nhà trường có bảy môn chuyên là: Toán, Văn, Ngoại ngữ, Vật lý, Hóa học, Tin học, Sinh học. Quy mô phát triển của trường khi xây xong trường mới sẽ là 24 lớp, mỗi khối có 8 lớp chuyên gồm chuyên Toán, Chuyên Toán-Tin, Chuyên Lý, Chuyên Hoá, Chuyên Sinh, Chuyên Anh, Chuyên Văn và 1 lớp chuyên Sử-Địa. Cơ sở vật chất của trường đang được Tỉnh đầu tư xây dựng trên đường Nguyễn Tất Thành với diện tích đất hơn 4 hec ta, tổng kinh phí xây dựng 128 tỷ đồng, với đầy đủ các công trình gồm nhà hiệu bộ, khu lớp học, khu phòng học bộ môn, khu ký túc xá, nhà đa năng, sân vận động, bể bơi...
Chiến lược phát triển của trường THPT Chuyên Nguyễn Tất Thành trong những năm tiếp theo là: Hội nhập khu vực và quốc tế, nâng cao chất lượng giáo dục mũi nhọn trong việc phát hiện, bồi dưỡng năng khiếu, bồi dưỡng nhân tài cho địa
học sinh trở thành những người có kiến thức vững vàng, có năng lực hoạt động xã hội một cách năng động, sáng tạo, có sức khỏe tốt, có tình yêu quê hương đất nước sâu sắc, có tấm lòng nhân ái, sẻ chia. Nhà trường tiếp tục tích cực thực hiện đổi mới theo hướng tiên tiến, phù hợp với địa phương; Xây dựng đội ngũ có trình độ chuyên môn giỏi, đặc biệt là có trình độ ngoại ngữ để giao tiếp, hội nhập và khai thác được tinh hoa kiến thức của nhân loại, có lòng yêu nghề, có tinh trần trách nhiệm.