Nata per decreto napoleonico il 18 ottobre 1810 come succursale dell'"École Normale" di Parigi, la Scuola Normale di Pisa iniziò nel 1813 la sua attività rivolta alla formazione di insegnanti di scuola media superiore, compito che continuò a svolgere durante la restaurazione del Granducato dei Lorena. La denominazione originaria di "Scuola Normale" indicava la funzione didattica primaria dell'istituto. Con l'aggettivo "normale" si designava infatti il compito formativo di "trasmettere norme" e, nell'Ottocento, le Scuole Magistrali erano a tal proposito denominate le "Normali".

Divenne Scuola Superiore a carattere nazionale nel 1862, anno di pubblicazione dei primi "Annali della Classe di Scienze" (dal 1873 escono gli "Annali della Classe di Lettere e Filosofia"). Nel 1932 acquisì ufficialmente, insieme all'autonomia amministrativa, la funzione di istituto superiore di formazione scientifica e di ricerca. Accanto all'attività di preparazione all'insegnamento secondario, alla scuola è stata nel tempo affiancata la funzione di formare ricercatori e docenti universitari. Oltre ad eccellenti laboratori, è dotata di una ricchissima biblioteca (circa 600.000 volumi e 4.000 riviste). Il nucleo più consistente della collezione riguarda le discipline scientifiche e quelle delle classi di Lettere e Filosofia.