1910年，浙江小学创立。

1938年9月，浙江小学发展而扩建了私立浙江中学。

1949年1月，天津解放。各校由市军事管制委员会文化教育部领导。不久，天津市教育局成立，由市教育局领导。军管会文教部令中正中学停办，改名为私立津华女子中学。1951年8月中旬，私立浙江中学和津华女子中学两校合并，定名为浙江中学。

1952年9月，浙江中学由市教育局接受改名为天津市第二十中学。1995年，学校创建“双菱中学”，公办民助，招初中生。1998年改为完中校。

市政府为发展教育事业，批准将市民政局办公用房（现和平区湖北路59号）划属，1955年8月天津市20中学遂迁入此址。

为实行教育体制改革试验，1958年新华区中心小学（位于重庆道与马场道交口处，原胡佛旧居）和新华区第一幼儿园（位于新华路与南京路交口，今已拆平）并入。

文化大革命后期，学校恢复为市首批市级重点中学，初中2轨，高中4轨，共18个教学班，1998年初中停止招生，改为6轨的高级重点中学，在校学生约900人。

1991年由市、区教育局拨款，对教学楼进行了65年来的第一次大规模改造和维修，校容校貌焕然一新。

1999年，原电子职校（南海路3号）校舍划归20中学。

2002年，进行示范校建设。原59中学校舍（建设路87号）划归20中学。拆除“周家小楼”，在原址新建了多功能办公楼。

新校舍2007年8月全面投入使用。南海路校区划出。

2012年在教育局布局调整中将湖北路2号（原21中校舍）划归二十中学，双菱中学迁入。泰安道13号（原59中）划出。