Giai đoạn 1: Từ 1984-1996

Tháng 9/1984 Trường Trung học phổ thông chuyên Nguyễn Trãi chính thức được thành lập với tên gọi Trường Phổ thông Năng khiếu Hải Hưng đặt tại khi Trường Trung học phổ thông Hồng Quang cũ trên đường Nguyễn Văn Tố, với các lớp chuyên Toán, chuyên Văn, chuyên Nga, chuyên Lý... và một số lớp chuyên cấp 2.

Trong những năm đầu thành lập, các lớp khối chuyên phải học ghép. Nhiều tiết, học sinh phải di chuyển sang trường Hồng Quang để học nhờ do cơ sở vật chất của trường còn quá khó khăn. Thời kì đầu, đội ngũ giáo viên chủ yếu từ Hồng Quang chuyển về. Sau đó dần dần hình thành đội ngũ giáo viên mới, một số là từ trường khác chuyển tới, một số là học sinh cũ của trường đã tốt nghiệp Đại học nối nghiệp thầy cô xây dựng tiếp sự nghiệp trồng người, một số thầy cô giáo của trường đã đạt trình độ Thạc sĩ. Về học sinh, số lượng lúc đầu còn khiêm tốn, căn bản được kế thừa từ các lớp chuyên Toán. Ban đầu, trường chỉ có các lớp chuyên Toán, Văn, Lý và Tiếng Nga.

Năm 1994 trường được chuyển sang địa điểm mới nằm trên đường Thanh Niên. Đây là cơ ngơi rộng rãi, thoáng mát hơn rất nhiều so với ngôi trường cũ, và ngôi trường mới này cũng là nơi đánh dấu một bước trưởng thành vượt bậc của nhà trường trong công tác giáo dục và đào tạo. Do nhu cầu giáo dục đa dạng, toàn diện, mô hình các lớp chuyên ngày càng được mở rộng và hoàn thiện. Năm học 1995-1996 nhà trường đã có 28 lớp với 556 học sinh bao gồm các lớp chuyên Toán, Tin, Lý, Hóa, Sinh, Văn, Anh, Nga, Pháp. Giáo viên trực tiếp dạy là 45 thầy cô trong đó có 13 Thạc sĩ. Tập thể nhà trường đã được nhận Huân chương Lao động hạng Ba do nhà nước trao tặng và trước đó nhà trường đã vinh dự được nhận bằng khen của Thủ tướng Chính phủ. Đặc biệt, tháng 4/1994 nhà trường đã vinh dự được đón Chủ tịch nước Lê Đức Anh về thăm trường. Trong thời kì này, đồng chí Bộ trưởng Bộ Giáo dục và Đào tạo Trần Hồng Quân, Giáo sư – Viện sĩ Nguyễn Văn Hiệu, Giáo sư Nguyễn Cảnh Toàn cũng đã về thăm và động viên thầy và trò nhà trường.

Giai đoạn 2: Từ 1997 - 2007

Cùng với sự kiện tách tỉnh Hải Hưng thành hai tỉnh Hải Dương và tỉnh Hưng Yên, năm 1997, trường Phổ thông Năng khiếu Hải Hưng được đổi tên thành Trường Trung học phổ thông chuyên Nguyễn Trãi.Năm 1997 - 1998: Hai khối chuyên Sử và Địa được thành lập, nhà trường đã có đủ 11 khối chuyên.

Giai đoạn 3: Từ 2007 - đến nay

Một sự kiện trọng đại đối với nhà trường là được sư quan tâm sâu sắc của các cấp lãnh đạo tỉnh Hải Dương, năm học 2007-2008, trường được chuyển sang địa điểm mới, nằm trên đường Nguyễn Văn Linh với tổng diện tích đất là 31.995m2. Đây là ngôi trường khang trang, hiện đại, tạo điều kiện rất tốt cho hoạt động giáo dục của trường... các phòng học rộng rãi, sáng sủa, trang thiết bị phục vụ giảng dạy, học tập, nghiên cứu và quản lý được đầu tư một cách đồng bộ.