Trên nền học vấn phổ thông chất lượng cao, hướng tới chuẩn quốc tế, nhà trường xây dựng mô hình kiểu mẫu về tổ chức hoạt động như một vườn ươm tài năng trẻ cho đất nước.
Trong gần 10 năm, HS của Trường THPT chuyên Khoa học Tự nhiên (ĐH Quốc gia Hà Nội) đã giành được 19 Huy chương Vàng (trong tổng số 65 Huy chương Vàng của cả nước); bên cạnh đó HS của trường còn “gặt” được 15 Huy chương Bạc và 11 Huy chương Đồng tại các kỳ thi Olympic quốc tế, các môn Toán học, Tin học, Vật lý, Hóa học và Sinh học.
Đặc biệt, năm 2018, HS Nguyễn Phương Thảo đã giành Huy chương Vàng tại kỳ thi Olympic Sinh học quốc tế và là thí sinh đạt điểm cao nhất (the first winer) của kỳ thi này. Đây cũng là HS thứ hai của Việt Nam (sau Lê Bá Khánh Trình) đạt được thành tích đặc biệt xuất sắc tại các kỳ thi Olympic quốc tế.
Bên cạnh thành tích thi Olympic, HS của Trường THPT chuyên Khoa học Tự nhiên còn đạt nhiều thành tích đặc biệt xuất sắc trong các kỳ thi HS giỏi quốc gia và khoa học kỹ thuật quốc gia. HS của Trường đã “gặt hái” được 45 giải Nhất trong các kỳ thi học sinh giỏi quốc gia; từ năm 2013 đến nay, học sinh của trường đã có 10 dự án đạt giải Nhất tại các cuộc thi Khoa học kỹ thuật cấp quốc gia. Chỉ tính từ năm 2010 - 2014, HS của trường luôn dẫn đầu trong top các trường có kết quả thi vào các trường ĐH cao nhất cả nước.
Trò giỏi, thầy cũng giỏi. Nhiều GV của trường là báo cáo viên tại các hội nghị tập huấn chuyên môn và quản lý cho Chương trình phát triển giáo dục trung học và Đề án phát triển hệ thống các trường chuyên (do Bộ GD&ĐT tổ chức từ năm 2010 - 2015). Dạy giỏi, nhiều GV của trường vẫn dành thời gian cho nghiên cứu khoa học như tham gia các đề tài khoa học, công bố nhiều bài báo khoa học trên tạp chí chuyên ngành; tham gia hội thảo khoa học quốc tế và hội thảo khoa học cấp quốc gia về chuyên môn.
Là đơn vị đầu tiên trong các trường THPT trên cả nước triển khai và áp dụng hiệu quả chương trình phát triển nhà trường, Trường THPT chuyên Khoa học Tự nhiên đã áp dụng giảng dạy môn Toán học và các môn Khoa học tự nhiên bằng tiếng Anh. Đặc biệt, trường xây dựng chương trình phát hiện và bồi dưỡng HS năng khiếu về Toán học, Tin học, Vật lý, Hóa học và Sinh học theo hướng phát triển năng lực của GD phổ thông trên thế giới. Đồng thời, trường cũng cập nhật đổi mới GD, áp dụng kinh nghiệm của các nền GD phổ thông tiên tiến trên thế giới, triển khai cho HS nghiên cứu khoa học, thực hiện GD tích hợp theo mô hình STEAM.
