天津市第20中学前身是由私立津华女中和私立浙江中学于1951年合并成立的“私立浙江中学”。
私立津华女中在解放前曾改过两次名，即“天申中学”和“中正中学”。
1939年以校长崔汉生为首成立董事会，创办的“天申中学”，完全是商业性质，分男、女二部。男中部校址在特一区，即今河西区徽州道，女中部校址在法租界32号，即今和平区赤峰道小学。
1949年1月天津解放后，私立中正中学停办，重建为私立津华女中。
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。
时20中学校址“地跨2区（原一区和五区）、校分4处（赤峰道小学1处，河北路纺织研究所1处，营口道1处，山东路1处）”。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。
校舍为英式建筑，占地面积8 732平方米，建筑面积7 610平方米。教室14个，可容纳学生800人，规模较大。学校始建于1926年，为英租界当局创办的原英国文法学校（Grammar School）校址。太平洋战争爆发后，日本人占领并改名为“宫岛小学”。日本投降以后，英国当局曾恢复重建“英国文法学校”。解放战争时期曾为国民党天津市“训练团”所在地。1949年1月天津解放后，为天津市民政局办公所用。
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。
按示范高中校新规划，2004至2006年，先后拆除原重庆道小学建筑、湖北路主校区单面楼和西后院全部房屋临建；拆除郑州道居民楼、与社科院建设银行先后置换腾空的建筑；拆除传达室和操场西教室建筑。2007年“双菱中学”迁往泰安道13号（原59中）。
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。
