Okulun kuruluşu İstiklal Savaşı’ndan çok eski yıllara uzanmaktadır. Osmanlı döneminde kurulan Rüştiye Mektebi ortaokul olarak hizmet vermiş, sonra da İdâdî Mektebi’ne dönüştürülmüştür. Daha sonraları Sultânî Mektebi’ne çevrilen okul, “Birinci Devre” (ilkokul) ve “İkinci Devre” (ortaokul ve lise) olarak öğretime devam etmiştir.

Atatürk Lisesi mezunlarından Sayın Hüsnü SOYER’den edinilen bilgilere göre; Rüştiye Mektebi, şu anda okulun bulunduğu yerde eski bir binada hizmet vermekteymiş. İdâdî Mektebi de şimdiki un fabrikasının bulunduğu yerdeki ahşap büyük bir bina imiş. Bir süre sonra okul, bugün, orduevi binasının arkasında bulunan Gazi İlkokulu adıyla eğitime devam etmiştir. İstiklal Savaşı’na kadar bu binada hizmet vermiştir. 1920 yılında şehrin Yunan işgaline uğraması üzerine kapatılmıştır. 2 Eylül 1922 yılında Eskişehir’in düşman işgalinden kurtulmasından sonra Sultânî Mektebi aynı binada Eskişehir Orta Mektebi adı ile yeniden kurulmuştur. 1929-1930 eğitim ve öğretim yılında lise ihtiyacı ortaya çıkınca okul, Odunpazarı otobüs durağı karşısındaki (Numune Turan Mektebi, Cumhuriyet Tarihi Müzesi olarak kullanılan) binaya taşınmıştır. 1930-1931 eğitim ve öğretim yılından itibaren de lise kısmı açılarak Eskişehir Lisesi adı ile ilk mezunlarını 1932-1933 eğitim ve öğretim yılı sonunda vermiştir.

16 Ocak 1933 yılında Atatürk şimdiki Odunpazarı otobüs durağı karşısındaki binada bulunan Eskişehir Lisesini ziyaret etmiştir. Atatürk bu ziyaretinde sınıflarda öğrencilerle ve ders programları ile ilgilenip öğrencilere çeşitli sorular sormuşlardır. Lisenin eski binasında, hâlen kullanılan ve o zaman Hükûmet Konağı olarak yapılmış bulunan yeni binaya taşınması yolundaki dilekleri kabul edip, isteğin yerine getirilmesi için ilgililere emir vermiştir.

Bakanlar Kurulunun 04.03.1933 tarih ve 13949 sayılı kararı ile Hükümet konağı olarak yapılan bina Eskişehir Lisesine verilmiştir. Böylece Eskişehir Lisesi 1934-1935 eğitim ve öğretim yılı başında yeni binasına taşınmıştır. Hâlen kullanılmakta olan bu binanın temeli İstiklal Savaşı’ndan çok önce atılmış, fakat savaş yıllarının sıkıntısı içinde tamamlanması gecikmiştir.

1959-1960 öğretim yılında okulda Akşam Lisesi de açılmıştır. 1961 yılında okulun adı Atatürk Lisesi olarak değiştirilmiştir. Ayrıca 1980-1981 eğitim ve öğretim yılından itibaren Akşam Ortaokulunun Akşam Lisesine katılması ile aynı binada Atatürk Lisesi ve Atatürk Akşam Lisesi olmak üzere iki ayrı yönetim altında görevlerini sürdürmüşlerdir. Ancak, Akşam Lisesi 1984-1985 öğretim yılında kapanmıştır. Bugün Atatürk Lisesi bünyesinde 1968 yılından bu yana faaliyet gösteren bir erkek öğrenci pansiyonu da bulunan okul Anadolu lisesi statüsündedir.

Atatürk Lisesi binası, mülkiyeti Ortaöğretim Genel Müdürlüğüne ait olmak üzere, Eskişehir ili, Merkez, Akcami Mahallesi’nde tapunun 1 pafta, 168 ada, 17 parselinde kayıtlı Odunpazarı Kentsel Siti koruma planı içinde yer alan ve Konya Kültür ve Tabiat Varlıkları Koruma Kurulunun 29.04.1988 gün 168 sayılı kararı ekli liste III’ de 12 sıra no’da anıtsal yapı olarak tescillenmiştir.