1911年6月至11月北京清华学堂教务长胡敦复同教师平海澜、朱香晚、吴在渊等十一人因不满清华学堂外国主事者的办学方式，组织“立达学社”，旨在兴办教育培育人才，社长为胡敦复。他们来沪自捐筹资228银元，于1912年3月19日在上海市肇周路南阳里创办大同学院，以“研究学术、明体达用”为宗旨，公推胡敦复为院长，招生91人。1914年学校迁入南市南车站路新校舍。1916年设专科，1921年设大学本科，1922年立案为大同大学（含中学）。1932年市教育局准于大同大学中学部立案，改称大同大学附属中学，其普通科相当于初中，预科相当于高中。因日军轰炸，校舍遭损，1939年9月大同大学迁至新闸路新校舍，原附属中学改称附中一院，并设附中二院。抗战胜利后，1946年11月附中一院迁回南车站路原址。1952年10月全国高校院系调整，撤消大同大学建制，大同附中一院改为私立大同中学。1956年1月19日改为公办，易名为上海市第五十七中学。1959年9月学校被定为市重点中学，恢复“大同”校名，全称为上海市大同中学。1969年4月文革期间学校一度由上海第三钢铁厂接办，改名为“上钢三厂五·七中学”。1978年1月1日正式恢复上海市大同中学校名，2月1日被重新确定为市重点中学，校名延用至今。2003年被首批命名为“上海市实验性示范性高中”。
学校办学初衷为教育救国兴科技人才，学校创始人胡敦复、胡明复、胡刚复曾参与创建中国科学社，成为我国科学事业发展的先驱者，具有重要的历史地位。大同学子中已涌现出39名“两院院士”。
学校坚持课改领先，实践现代教育。自1987年起率先在全市开展高中课程整体改革，建立由必修课、选修课和活动课“三个板块”组成的新的课程结构，以学生特长认定制度和实施学分制管理，为发展学生创新思维、实践能力、形成个性特长作了有益的探索与实践，学校是上海一、二期课程教材改革的一面旗帜，在形成较成熟的学校课程体系基础上，进行课程统整实施的深入研究。学校还形成了优质拓展型课程群，以“活力课堂”为主题的课堂教学实践研究，走在全市前列。学校教科研成绩显著，三获市先进集体，两次获市一等奖，二、三等奖多项，校教研科研室两获市劳模集体。
学校坚持德育为先，精心育人，形成了德育教育系列和科学的操作体系。1982年全市首创“值周班制”这一学生自我管理自我教育的载体，同年全市最早恢复学生党章学习小组和学生建党工作。校思想工作领导小组曾三次被评为“上海市劳模集体”。1995年我校学生社会服务队《传了十年的接力棒》荣获“上海市精神文明建设十佳好事”榜首，2000年学校被授予“全国中小学德育工作先进集体”，2009年学校荣获“上海市未成年人思想道德建设工作先进单位”。
学校坚持改革开放，加强海内外交流，培养学生国际视野。自1983年6月起学校开展对外教育交流活动，1996年至今对外交流出访近千人，来访接待近7千人，与美、德、法、英等十几个国家20多所知名学校结成友好学校关系。 2009年11月18日举办了以“城市的未来，青年的责任”为主题的迎世博中外学生论坛。
学校科技、体育、艺术工作筑高素质教育平台。学校为“上海市科技教育特色示范学校”，学生创新成果夺魁世界工程师大赛；体育工作获“全国群众体育先进单位”，足球队为国家传统项目学校，跳高队为市二线运动队；学校为“上海市艺术教育先进集体”，交响乐团、民乐队等艺术团队活跃。
此外学校还荣获两届“全国精神文明建设先进单位”、“上海市文明单位”十六连冠、“全国教科文卫体系统先进工会组织”等荣誉称号。
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