Bước ngoặt có ý nghĩa quan trọng trong tiến trình phát triển của trường PTTH Hoàng Văn Thụ là thời điểm tháng 9 năm 1981, hệ chuyên của trường được thành lập. Từ năm học 1981-1982 đến năm học 1993-1994 trường lần lượt mở các hệ chuyên đầu tiên là chuyên Toán, chuyên Nga sau đó là các chuyên Hóa, chuyên Văn... Từ năm học 1993-1994 đến năm học 2000-2001 khối chuyên của trường đã được tách riêng thành trường PTTH năng khiếu Hoàng Văn Thụ; khối phổ thông đại trà được tách ra thành lập trường PTTH Chuyên ban Lạc Long Quân. Sự kiện này, đã tạo tiền đề quan trọng để nâng vị thế của trường lên một tầm cao mới. Từ năm học 2001-2002, nhà trường chính thức đổi tên thành Trường THPT chuyên Hoàng Văn Thụ. Từ đây, trường nằm trong hệ thống trường chuyên của cả nước, có quy chế hoạt động riêng của trường chuyên biệt. Nhà trường đã từng bước thực hiện lộ trình hiện đại hóa trường chuyên để trở thành trung tâm đào tạo nhân lực, bồi dưỡng nhân tài chất lượng cao, phấn đấu xứng tầm với các trường chuyên trong cả nước và khu vực.
            Ba mươi năm đã qua, kể từ ngày hệ chuyên đầu tiên của trường ra đời, sự nghiệp Giáo dục và Đào tạo của nhà trường không ngừng phát triển với nhiều thành tích rất đỗi tự hào. Trong Giai đoạn thứ nhất (từ năm học 1981-1982 đến năm học 1993-1994), các hệ chuyên của trường đã vượt qua những khó khăn, bỡ ngỡ bước đầu để bắt nhịp với việc dạy và học trong môi trường chuyên biệt, cũng từ đó có học sinh giỏi quốc gia, chất lượng giáo dục từng bước được nâng cao. Đến giai đoạn thứ 2 (từ năm học 1993-1994 đến năm học 2000-2001) với tên gọi trường PTTH năng khiếu Hoàng Văn Thụ, số lượng học sinh giỏi quốc gia tăng lên một cách rõ rệt. Trong vòng 7 năm, nhà trường đã có 265 học sinh đạt giải quốc gia, góp phần quyết định đưa đội tuyển học sinh giỏi tỉnh nhà lên vị trí thứ nhất của bảng B (gồm các tỉnh miền núi phía Bắc, Tây Nguyên và đồng bằng sông Cửu Long). Tỷ lệ học sinh thi đỗ vào các trường Cao đẳng, Đại học hàng năm đạt từ 70-80%. Trong 10 năm (từ năm học 2001-2002 đến nay) đúng với tên gọi trường THPT Chuyên, thành tích của trường đã vươn đến tầm cao mới. Số lượng, chất lượng giải Quốc gia của nhà trường đã được tăng rõ nét. Chỉ trong vòng 10 năm, nhà trường đã có 500 học sinh đạt giải quốc gia. Có những năm học như 2001-2002 hay 2005-2006, nhà trường có tới 68 học sinh đạt giải quốc gia. Trường có 9 năm liên tiếp đứng đầu bảng B về thành tích thi HSG Quốc gia. Từ năm học 2006-2007 khi hoà nhập với tất cả các trường trong cả nước thi cùng một bảng, trường vẫn giữ được thành tích rất đáng tự hào. Trong hai năm học liên tiếp 2009-2010 và 2010-2011, trường đều có trên 40 giải Quốc gia. Chất lượng giáo dục toàn diện của nhà trường trong 10 năm qua đạt được những thành tích rất tự hào. Tỷ lệ học sinh xếp loại học lực khá, giỏi hàng năm từ 95-99%, trong đó loại giỏi 25-35%; học sinh có hạnh kiểm khá, tốt đạt trên 99%; tỷ lệ học sinh đỗ tốt nghiệp hàng năm luôn là 100%; tỷ lệ học sinh đỗ vào các trường đại học đã tăng nhanh hơn so với giai đoạn trước, đạt từ 87-94%, sánh vai với các trường chuyên tỉnh bạn có bề dày truyền thống trong toàn quốc. Trong những năm gần đây Trường còn cho học sinh tham gia các kì thi như Giải toán trên máy tính cầm tay với 90 giải trong 11 năm tham dự, kì thi học sinh giỏi Toán Hà Nội mở rộng: 20 học sinh dự thi (4 kì) có 19 học sinh đạt giải trong đó có 2 Huy chương Vàng, 5 học sinh của trường có thành tích xuất sắc được tham dự kì thi Olimpic Toán Singapo mở rộng đã đem về cho tỉnh 5 huy chương Bạc. Ngoài ra, trường còn tham gia vào trại hè Hùng Vương, cuộc thi sáng tạo Robocon và gần đây nhất là cuộc thi của các trường chuyên khu vực duyên hải. Các cuộc thi này vừa là sân chơi bổ ích, kích thích niềm say mê học tập, sáng tạo của các em học sinh, vừa là dịp để trường khẳng định chất lượng giáo dục đào tạo toàn diện và chất lượng mũi nhọn ổn định, phát triển.