Perjalanan tentang berdirinya SMA Negeri 3 Singaraja, tidak terlepas dengan perkembangan Pendidikan Menengah Atas di Indonesia pada umumnya. Pada tahun 1971, di Indonesia terbentuk Panitia Perencana dan Koordinasi Pilot Projek Pendidikan Komprehensif sebagai wadah dan wahana pembaharuan pendidikan di Indonesia. Panitia ini membuat rencana proyek sekolah pembangunan yang akhirnya melahirkan keputusan Menteri Pendidikan dan Kebudayaan Nomor 0172/1971 tentang Sekolah Pembangunan.
Sekolah Pembangunan adalah sekolah yang berorientasi Komprehensif, yang dapat menampung anak didik dari semua lapisan masyarakat dan membimbing anak didik menjadi warga negara yang Pancasila yang berpribadi, berdasarkan atas Ketuhanan Yang Maha Esa, berkesadaran bermasyarakat dan mampu membudayakan alam sekitarnya serta menjadi manusia yang dapat mengembangkan diri sendiri secara optimal, sesuai dengan kecerdasan, bakat dan minat masing-masing sehingga memiliki kepribadian yang seimbang dan berjiwa makarya serta bertanggungjawab terhadap kesejahteraan masyarakat dan tanah air.
Sebagai realisasi Keputusan Menteri Nomor 0172/1971 dan memperhatikan dasar tujuan serta fungsi Sekolah Pembangunan seperti tersebut di atas, maka didirikan 26 Sekolah Pembangunan di seluruh Indonesia, termasuk 2 (dua) buah Sekolah Pembangunan di Bali yaitu di Desa Sidha Karya Denpasar dan di Desa Penarukan Singarja. Sekolah Pembangunan yang baru terbentuk tersebut karena masih dalam tahap persiapan, disebut Sekolah Menengah Pembangunan Persiapan yang disingkat SMPP.

Kedua Sekolah Menengah Pembangunan Persiapan (SMPP) di Bali mulai dibuka bulan Januari 1976. SMPP yang ada di Desa Penarukan Singaraja lalu disebut SMPP Negeri Singaraja dan dibawah kepemimpinannya Ibu Dra. Ketut Moertini, M.Ed., sebagai Kepala Sekolah yang pertama dari Tahun 1976 s.d. 1978.

Karena azas dan tujuan kurikulum Sekolah Pembangunan ini sangat luas, dan membutuhkan sarana dan prasarana, tenaga edukatif dan administratif yang sangat banyak, maka SMPP di seluruh Indonesia, dari saat dibuka sampai berjalan lebih kurang 9 (sembilan) tahun, yaitu dari tahun 1976 sampai dengan 1985 menggunakan kurikulum Sekolah Menengah Tingkat Atas (SMA).
Demikian halnya dengan SMPP Negeri Singaraja, mengalami perlakuan yang sama, sehingga sejak Tahun 1976 sampai dengan bulan Juli 1985, menggunakan kurikulum SMA, sehingga produknya adalah SMA tetapi namanya adalah SMPP, yang mana hal ini sempat menimbulkan salah penafsiran dari berbagai instansi baik pemerintah maupun swasta.



Tidak hanya di tingkat kelembagaan dan struktur kurikulum seiring dengan perubahan tersebut suksesi kepemimpinan mengikutinya. Pada tahun 1979 s.d. 1980 Kepala Sekolah SMA Negeri 3 Singaraja di pegang oleh bapak Made Mertha, B.A., dan selanjutnya dari tahun 1981 s.d. tahun 1987 tongkat kepemimpinan dilanjutkan oleh bapak Drs. I Putu Serangan.
Akhirnya setelah berjalan 10 (sepuluh) tahun dengan pertimbangan bahwa Sekolah Menengah Pembangunan Persiapan (SMPP) sejak berdirinya menggunakan kurikulum Sekolah Menengah Umum Atas (SMA), maka melalui Keputusan Menteri Pendidikan dan Kebudayaan Nomor 0353/0/1985 tanggal 9 Agustus 1985, SMPP di seluruh Indonesia diubah namanya manjadi SMA.
Demikian pula halnya dengan SMPP Negeri Singaraja, mulai tanggal 9 Agustus 1985 berubah nama menjadi SMA Negeri 3 Singaraja dan sekaligus menggunakan kurikulum SMA tahun 1984. Tidak hanya itu, pergantian tampuk kepemimpinan terus mengikutinya sehinga pada tahun 1988 s.d. 1998 SMA Negeri 3 berada di bawah kepemimpinan Kepala Sekolah bapak Drs. Made Redana, dan selanjutnya dari tahun 1999 s.d. tahun 2000 Kepala Sekolah SMA Negeri 3 Singaraja berada dibawah kepemimpinan bapak Drs. Gede Suranada, M.Pd. Kemudian dengan berlakunya undang-undang Republik Indonesia Nomor 2 Tahun 1989 tentang Sistem Pendidikan Nasional, dengan semua peraturan pemerintah sebagai pedoman pelaksanaannya, kurikulum SMA 1984 disesuaikan menjadi kurikulum SMU tahun 1994. Kurikulum SMA 1994 disusun untuk mewujudkan pendidikan Nasional dengan memperhatikan tahap perkembangan siswa dan kesesuaiannya dengan lingkungan, kebutuhan pembangunan Nasional, perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi dan kesenian.


Sehubungan dengan hal itu, maka SMA Negeri 3 Singaraja pun mengikuti perkembangan itu, sehingga mulai tahun pelajran 1994/1995 menerapkan Keputusan Menteri Pendidikan dan Kebudayaan Republik Indonesia Nomor 061/0/1993 tanggal 25 Februari 1993 tentang Sekolah Menengah Umum (SMU).
Dalam rangka merespon perkembangan IPTEK dan merespon Undang-Undang tentang Otonomi Daerah ,maka Sistem Pendidikan Nasional dirubah regulasinya dengan diberlukannya Undang-Undang Nomor 20 Tahun 2003 yang juga membawa perubahan nomenklatur sekolah dari SMU menjadi SMA. Sehingga SMU Negeri 3 Singaraja kembali berubah nama menjadi SMA Negeri 3 Singaraja berdasarkan SK Mendiknas Nomor 045.2/341/TU.2004 tanggal 17 Maret 2004 dengan menerapkan kurikulum berbasis kompetensi (KBK). Dibawah kepemimpinan Kepala Sekolah bapak Drs. Ketut Mudera Kesiman dari tahun 2000 s.d. 2008, SMA Negeri 3 Singaraja dberikan kepercayaan untuk menyandang status Sekolah Plus Bernuansa Hindu yang ditetapkan dengan Surat Keputusan Kepala Dinas Pendidikan Kabupaten Buleleng Nomor 824/3134/Program/2004 Tanggal 6 Juli 2004. Dengan status seperti itu, sekolah wajib melaksanakan pendidikan yang mengarah pada peningkatan prestasi akademik, kualitas disiplin mental spiritual dan budi pekerti yang bernuansa Hindu. Selanjutnya pada Tahun 2007 seiring dengan perkembangan kebijakan pendidikan tingkat SMA maka SMA Negeri 3 Singaraja menggunakan Kurikulum Tingkat Satuan Pendidikan (KTSP).


Selanjutnya, kepemimpinan SMA Negeri 3 Singaraja dilanjutkan oleh Kepala Sekolah bapak Drs. Nengah Sukarta, M.Si. dari tahun 2008 s.d. 2010. Selanjutnya berdasarkan Surat Keputusan Bupati Buleleng No. 821.2/589/BKD Tertanggal 26 Januari 2010 s.d. 2013, kepemimpinan SMA Negeri 3 Singaraja dilanjutkan oleh bapak Drs. I Ketut Kartika. Selanjutnya kepemimpinan SMA Negeri 3 Singaraja dilanjutkan oleh Kepala Sekolah bapak Drs. Putu Arimbawa, M.Pd dan mulai tanggal 15 April 2015 SMA negeri 3 Singaraja dipimpin oleh Ibu Made Sri Astiti,S.Pd.M.Pd.
SMA Negeri 3 Singaraja sejak tahun 2013/2014 dipakai sebagai projek pilot pelaksana implementasi Kurikulum 2013 yang berarti baru hampir dapat memenuhi standar nasional pendidikan oleh karena itu sekolah dituntut untuk terus berupaya memenuhi tuntutan standar pendidikan. Sebagai sekolah Pelaksana Implementasi Kurikulum 2013 perekrutan peserta didik baru dilakukan melalui 3 (tiga) yakni jalur Prestasi Akademik dan Non Akademik ,Jalur Zonasi yang tentunya akan mewarnai input siswa SMA Negeri 3 Singaraja. Dan jalur Mutasi Orang Tua .Selain itu keberadaan SMA Negeri 3 Singaraja yang berada di wilayah desa Penarukan, Kecamatan Buleleng, Kabupaten Buleleng merupakan daerah transisi desa kota, dengan mayoritas siswa berasal dari pedesaan wilayah timur Buleleng dengan mayoritas orangtua siswa berfrofesi petani,buruh dan wiraswasta yang tentunya ikut mewarnai pula daya dukung lingkungan terhadap keberdaan sekolah.
Berdasarkan Keputusan Gubernur Bali No : 305/04-C/HK/2021 tentang Pengangkatan dan Pemberhentian Kepala SMA/SMK/ di Lingkungan Provinsi Bali per tanggal 1 Maret 2021, kepemimpinan SMAN 3 Singaraja dilanjutkan oleh bapak Dr. I Putu Eka Wilantara, M.Pd, Pada tahun 2021 SMAN 3 Singaraja lolos sebagai salah satu dari 5 Sekolah Penggerak di Provinsi Bali. Program Sekolah Penggerak rencana dilaksanakan selama 3 tahun ajaran dari tahun pelajaran 2011/2022 sampai dengan tahun pelajaran 2023/2024.