โรงเรียนนี้เดิมชื่อ โรงเรียนประชาบาล ตำบลหนองมน ๓ (บ้านแสนสุขบน) เป็นโรงเรียนประถมศึกษา ซึ่งนายอำเภอตั้งขึ้นตามพระราชบัญญัติประถมศึกษา โดยสร้างเป็นโรงเรียนชั่วคราว ขนาด ๒ ห้อง กว้าง ๓ เมตร ยาว ๒๐ เมตร หลังคามุงจาก มีฝาจาก ๔ ด้าน สร้างด้วยเงินอุดหนุนการประถมศึกษาและประชาชนในท้องถิ่นสละเงินร่วมกัน โดยมีกำนันติ๊ว ยู่จิว และผู้ใหญ่อุ๊น จันทร์เกลี้ยง ช่วยกันจัดหาที่ดินและจัดสร้างขึ้นเมื่อเสร็จเรียบร้อยแล้ว ได้ทำพิธีเปิดใช้สถานที่เล่าเรียนเมื่อวันที่ ๑๗ กันยายน พ.ศ. ๒๔๘๒ โดยมี นายพราว สุทธิศรี ศึกษาธิการอำเภอศรีราชามาเป็นประธานในพิธีเปิด มีนักเรียนทั้งสิ้น ๑๕ คน นายชิ้น ใจดี เป็นครูใหญ่ นับเป็นครูใหญ่คนแรกของโรงเรียนนี้ ซึ่งทำหน้าที่ทั้งครูใหญ่ และครูประจำชั้น

ต่อมา พ.ศ. ๒๔๘๖ ทางราชการได้เปลี่ยนชื่อตำบลหนองมนเป็นตำบลแสนสุข มาขึ้นกับอำเภอเมืองชลบุรี  โรงเรียนจึงได้เปลี่ยนชื่อเป็น โรงเรียนประชาบาลตำบลแสนสุข ๓ (บ้านแสนสุข)

พ.ศ. ๒๔๙๖ จอมพล ป.พิบูลสงคราม นายกรัฐมนตรี เห็นควรปรับปรุงการศึกษาในท้องถิ่นให้กว้างขวางออกไป จึงมอบให้ พลเอกมังกร พรหมโยธี รัฐมนตรีกระทรวงศึกษาธิการ ดำเนินการก่อสร้างขึ้นในตำบลแสนสุข บนเนื้อที่ ๗๕ ไร่ ๒ งาน ๑๓๑ ตารางวา เป็นเงินค่าซื้อจำนวนเงินทั้งสิ้น ๗๔๙,๐๐๐ บาท ซึ่งอยู่บริเวณเดียวกับโรงเรียนประชาบาลตำบลแสนสุข ๓ ได้วางศิลาฤกษ์เมื่อวันที่ ๒๗ มกราคม พ.ศ. ๒๔๙๖ มีอาคารเรียนชั้นมัธยมศึกษา อาคารเรียนชั้นประถมศึกษา โรงฝึกงานหัตถศึกษา บ้านพักครู คนงาน รวมเป็นเงินทั้งสิ้น ๓,๑๙๐,๐๐๐ บาท

นับเป็นโรงเรียนมัธยมสามัญศึกษา สำหรับการศึกษาในระยะ ๗ ปี เพื่อสนองแผนการ Primary Extension School และโรงเรียนจัดเป็นแบบ Consolidated School หลังจากวางศิลาฤกษ์แล้ว ๑ ปี นายกรัฐมนตรีได้มาเป็นประธานในพิธีเปิดโรงเรียนนี้ เมื่อวันที่ ๒๗ พฤษภาคม พ.ศ. ๒๔๙๗ ได้ชื่อว่าโรงเรียน “พิบูลบำเพ็ญ” ใช้เป็นสถานที่เรียนตั้งแต่ชั้นประถมศึกษาปีที่ ๑ ถึงมัธยมศึกษาปีที่ ๓ โดยมีผู้บริหารโรงเรียน ในตำแหน่งอาจารย์ใหญ่ คือ

1. หม่อมเจ้าพยัคฆพันธุ์ เกษมสันต์

2. อาจารย์พจน์ จันทร์ลี

พ.ศ. ๒๔๙๙ กระทรวงศึกษาธิการพิจารณาเห็นเป็นการสมควรจะขยายการศึกษาในด้านฝึกหัดครูและด้านสามัญศึกษาให้ได้ผลดียิ่งขึ้น จึงได้ก่อตั้งวิทยาลัยวิชาการศึกษา บางแสน และได้โอนโรงเรียน “พิบูลบำเพ็ญ” มาสังกัดวิทยาลัยวิชาการศึกษา กรมการฝึกหัดครู เพื่อจัดตั้งเป็นโรงเรียนสาธิตได้ชื่อว่าโรงเรียนสาธิต “พิบูลบำเพ็ญ” วิทยาลัยวิชาการศึกษา บางแสน ตั้งแต่วันที่ ๑ กันยายน พ.ศ. ๒๔๙๙

เพื่อให้การดำเนินงานได้ผลดีอย่างยิ่ง ทางสภาวิทยาลัยวิชาการศึกษาได้จัดตั้งคณะกรรมการขึ้นคณะหนึ่ง ประกอบด้วย ศาสตราจารย์ จากมหาวิทยาลัยอินเดียนา, รองอธิการบดี, ครูใหญ่ และอาจารย์ของวิทยาลัย ทำการสำรวจเพื่อจัดวางนโยบายและวางหลักปฏิบัติของโรงเรียนขั้นต่อไป

นโยบายเดิมของโรงเรียนนี้คือ จัดการศึกษาระดับประถมศึกษา อันเป็นการศึกษาภาคบังคับ ให้แก่นักเรียนในตำบลแสนสุข ตำบลบางพระ และตำบลอื่น ๆ ที่รถรับส่งของโรงเรียนจะผ่านถึงได้จนถึงตัวเมืองของจังหวัดชลบุรี นอกจากนี้ยังได้จัดการศึกษาชั้นมัธยมศึกษาสามัญตอนต้นใช้หลักสูตรมัธยมศึกษาสามัญของกรมสามัญศึกษา ซึ่งจัดให้มีการฝึกหัดทางด้านหัตถศึกษาครึ่งหนึ่งของเวลาเรียนใน ๑ สัปดาห์ หลังจากการสำรวจของคณะกรรมการชุดแรกเสร็จสิ้นลงนโยบายและการปฏิบัติงานของโรงเรียนนี้ก็ถูกดัดแปลงให้เหมาะสมกับที่เป็นโรงเรียนสาธิตยิ่งขึ้น 

รายชื่อผู้บริหารโรงเรียนในตำแหน่งอาจารย์ใหญ่ คือ

1. ศาสตราจารย์ ดร.พนัส หันนาคินทร์

2. อาจารย์บุญเลิศ  ศรีหงส์

3. รองศาสตราจารย์อนนต์ อนันตรังสี

4. รองศาสตราจารย์ ดร.ประเทิน มหาขันธ์

5. ผู้ช่วยศาสตราจารย์สุธรรม ศุกระกาญจน์

พ.ศ. ๒๕๑๗ วิทยาลัยวิชาการศึกษาได้ยกฐานะเป็นมหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ โรงเรียนสาธิต “พิบูลบำเพ็ญ” สังกัดภาควิชาหลักสูตรและการสอน คณะศึกษาศาสตร์ มีนโยบายในการดำเนินงานโรงเรียนสาธิต เป็นห้องปฏิบัติการของคณะศึกษาศาสตร์ สำหรับนิสิตไปฝึกปฏิบัติงานด้านประสบการณ์ อาชีพ และการปฏิบัติงาน

ได้มีการจัดตั้งสมาคมผู้ปกครอง ครู และศิษย์เก่าขึ้น เพื่อสนับสนุนการดำเนินงานของโรงเรียนและในปีเดียวกัน สมาคมฯ ได้จัดสร้างอาคารเรียนขนาด ๕๔ x ๙.๒๐ เมตร เป็นอาคารชั้นเดียว ชื่ออาคาร “พิบูลรำลึก” 

(ซึ่งต่อมาได้ต่อเติมเป็นอาคาร ๒ ชั้น) 

รายชื่อผู้บริหารโรงเรียนตำแหน่งอาจารย์ใหญ่ คือ

1. รองศาสตราจารย์สายันห์ มาลยาภรณ์

2. ผู้ช่วยศาสตราจารย์สุพัฒนา โหระกุล

3. รองศาสตราจารย์เชาวน์ มณีวงษ์

พ.ศ. ๒๕๓๓ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ บางแสน ได้รับการยกฐานะเป็นมหาวิทยาลัยเอกเทศชื่อมหาวิทยาลัยบูรพา เมื่อวันที่ ๓๐ กรกฎาคม พ.ศ. ๒๕๓๓ โรงเรียนสาธิต “พิบูลบำเพ็ญ” ได้รับการจัดให้เป็นหน่วยงานที่เทียบเท่าภาควิชา ตามพระราชบัญญัติมหาวิทยาลัยบูรพาโดยสังกัดคณะศึกษาศาสตร์ ในปี พ.ศ. ๒๕๓๓ นี้ สมาคมผู้ปกครอง ครูและศิษย์เก่า ได้จัดสร้างต่อเติมอาคารเรียน พิบูลรำลึก ขึ้นอีก ๑ ชั้น และได้มีผู้มีจิตศรัทธาสร้างหอพระประจำโรงเรียน และอาคารแสนเจริญมอบให้แก่โรงเรียน

พ.ศ. ๒๕๔๔ อาจารย์ ดร.สมศักดิ์ ลิลา ผู้อำนวยการ เป็นผู้ริเริ่มก่อตั้งฝ่ายการศึกษานานาชาติขั้นพื้นฐานและฝ่ายปฐมวัย เพื่อเปิดรับนักเรียนระดับการศึกษาปฐมวัย และการศึกษาขั้นพื้นฐานที่ใช้ภาษาอังกฤษเป็นสื่อการเรียนการสอนโดยใช้หลักสูตรการศึกษาขั้นพื้นฐาน ระดับมัธยมศึกษาของประเทศไทย และได้รับอนุมัติจากสภามหาวิทยาลัยให้จัดตั้งเป็นหน่วยงานนอกระบบแบบพึ่งพาตนเอง  ในปี พ.ศ. ๒๕๔๕ ได้ทดลองจัดโครงการจูเนียร์อินเตอร์เนชั่นแนล ให้กับนักเรียนชั้นประถมศึกษาปีที่ ๑ และ ๒ และได้ขยายจนครบ ๖ ชั้นในปีการศึกษา ๒๕๔๗ ปัจจุบันได้เปลี่ยนชื่อเป็น โปรแกรมเน้นความสามารถทางภาษา ระดับประถมศึกษา

วันที่ ๑๕ ตุลาคม พ.ศ. ๒๕๔๗ โรงเรียนสาธิต “พิบูลบำเพ็ญ” มหาวิทยาลัยบูรพาเข้าสู่การบริหารนอกระบบราชการ เป็นส่วนราชการ ดำเนินงานอยู่ในแผนงานจัดการศึกษาอุดมศึกษา งานสนับสนุนการจัดการศึกษา มีการปรับปรุง และต่อเติมอาคารอีกหลายหลัง และในปีนี้ได้ดำเนินการแยกสมาคมออกเป็น ๒ สมาคม คือ สมาคมผู้ปกครองและครู และสมาคมศิษย์เก่า

พ.ศ. ๒๕๕๑ รองศาสตราจารย์ ดร.ฉลอง ทับศรี ผู้อำนวยการ ในขณะนั้น เปิดหลักสูตร ที่เน้นภาษาอังกฤษ วิทยาศาสตร์ หรือคณิตศาสตร์ โดยได้เริ่มเปิดรับนักเรียนชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 1 และชั้นมัธยมศึกษาปีที่ ๔ ตั้งแต่ปีการศึกษา ๒๕๕๒  โดยใช้ชื่อว่า โปรแกรมเน้นความสามารถทางภาษา ระดับมัธยมศึกษา และโปรแกรมเน้นความสามารถทางวิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์ ระดับมัธยมศึกษา

พ.ศ. ๒๕๕๖ อาจารย์ ดร.ผลาดร สุวรรณโพธิ์ ผู้อำนวยการ ในขณะนั้น เปิดหลักสูตรห้องเรียนวิทยาศาสตร์ โครงการสนับสนุนการจัดตั้งห้องเรียนวิทยาศาสตร์ในโรงเรียนโดยการกำกับของมหาวิทยาลัย (โครงการ วมว.) มีนักเรียนศึกษาหลักสูตรห้องเรียนวิทยาศาสตร์ โรงเรียนสาธิต “พิบูลบำเพ็ญ” มหาวิทยาลัยบูรพา ตั้งแต่ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ ๔ – ๖

รายชื่อผู้บริหารงานตำแหน่งผู้อำนวยการ คือ

1. ว่าที่ร้อยตรี สุเทพ เมืองคล้าย
2. ผู้ช่วยศาสตราจารย์สมพิศ อุดมศิลป์
3. อาจารย์ ดร.สมศักดิ์ ลิลา
4. รองศาสตราจารย์ ดร.ฉลอง ทับศรี
5. อาจารย์ ดร.ผลาดร  สุวรรณโพธิ์ 
6. อาจารย์ ดร.วิโรฒน์  ชมภู
7. อาจารย์ ดร.อาพันธ์ชนิต เจนจิต (ผู้รักษาการแทนผู้อำนวยการ) 
8. ผู้ช่วยศาสตราจารย์ตฤณ กิตติการอำพล (ปัจจุบัน)