La Scuola normale superiore nacque ufficialmente, per decreto napoleonico, il 18 ottobre 1810, come succursale dell'École normale supérieure di Parigi per i paesi in cui era autorizzato l'uso della lingua italiana, ma solo nel 1813 cominciò veramente la sua attività, volta soprattutto alla formazione degli insegnanti di scuola media superiore.

Collocata presso il convento di San Silvestro di Pisa, ebbe un regolamento di disciplina che ricalcava quello della scuola francese di riferimento, indicando con precisione ammissioni, occupazioni, castighi, ricompense e persino il vestiario degli studenti.
L'abdicazione di Napoleone e la restaurazione granducale dei Lorena portò alla chiusura della nuova scuola dopo un solo anno.

Nel 1846 la Scuola normale superiore fu rifondata per volontà del granduca Leopoldo II di Lorena, con la funzione di “semenzaio dei professori e dei maestri delle scuole secondarie del granducato”. Nella denominazione originaria di “Scuola normale”, l'aggettivo si riferiva a quella che era la sua funzione didattica primaria, di trasmettere "norme": l'appellativo di "superiore" era quindi legato alla preparazione per l'insegnamento secondario.

L'istituto, ospitato dall'Ordine dei cavalieri di Santo Stefano e inaugurato il 15 novembre 1847, conservava ben poco dell'ordinamento d'epoca napoleonica, presentandosi più come un'appendice assistenziale dell'Università pisana.

Nel 1862 la Scuola assunse carattere nazionale e prese il nome di "Scuola normale del Regno d'Italia". Con la fondazione delle due riviste (Annali della classe di scienze nel 1871 e Annali della classe di lettere e filosofia nel 1873) ebbe inizio l'attività editoriale della Scuola. Con lo sviluppo del corso di perfezionamento la Scuola andò sempre più assumendo, accanto alla funzione di collegio universitario, quello di istituto superiore di formazione scientifica e di ricerca. Questo carattere venne acquisito ufficialmente, insieme con l'autonomia amministrativa, nel 1932, soprattutto grazie all'azione di Giovanni Gentile.
Nel periodo fascista la Scuola normale proseguì la propria attività didattica e di ricerca.


Alla funzione della scuola di preparare all'insegnamento secondario, si è progressivamente affiancata quella di formare i futuri ricercatori e docenti universitari.