1971年2月，工厂有二机一中和二机二中两所中学，工厂为了解决子弟入学问题，决定再建一所初级中学，成立了教育处直属连（二机三中前身），学制三年，春季招生。 1971年3月1日正式开学，有16个教室，第一批招收初一年级学生8个教学班，1个京剧样板团，共500余人。 1972年，由春季招生改为秋季招生。包头机械工业学校停止招生，合并到了工厂。 1972年4月，学校成立了“革命委员会”。 1973年8月10日，二机三中首届初中毕业生响应党中央知识青年上山下乡接受贫下中农再教育的号召，第一批知识青年奔赴包头市土默特右旗下乡插队。 1977年5月，学校调整了革委会成员。 1978年7月，工宣队撤离学校返回工厂，学校恢复了校长、副校长称谓。 1979年，学校提出了“精心设计每一堂课，向四十五分钟要质量”的口号，成立了各学科中心教研组。 1980年，4个高中毕业班240人参加全国高考，有104人上线，名列包头市第三名。 1983年8月，学校迁至青山区青山路117号。 1988年7月，总厂和教育处决定整合资源，将二机三中的初中全部并给二机一中，并将二机一中的高中全部并给二机三中，至此二机三中成了完全高中。 1995年，学校启动了“蓝青工程”。 1996年，学校启动了“名师工程”。 1999年，学校成立一个学生文学社团，并创办一本校园文学校刊。 2000年8月，学校北重三中成立了第一届艺术班。 2003年，集团公司将三中北墙后三万多平方米的土地划给三中，扩大了校园面积。 2004年，学校引进“诱思探究教学理论”。 2009年，学校调整中层干部。 2011年，自治区副主席连辑来到三中，为三中题写了校名及贺词。