L’actuel lycée Gay-Lussac est l’héritier d’une longue histoire qui remonte en 1521. Aujourd’hui, il conserve les traces de son passé de collège de jésuites avec sa chapelle du XVIIe siècle. Après le départ des jésuites en 1762, l’édifice fait l’objet de différentes extensions : bâtiment du XVIIIe siècle édifié par l’architecte Joseph Brousseau, « petit quartier » bâti sous Napoléon III ; aile scientifique inaugurée en 1934, « moyen quartier » reconstruit dans les années 1960, avant les travaux de modernisation et d’extension. Autant de bâtiments et de phases de construction qui témoignent des mutations de la ville et de l’institution scolaire depuis plus de quatre siècles.

Une partie du lycée a été inscrite au titre des Monuments Historiques par arrêté du 16 décembre 1936. Cette protection a été étendue en septembre 2017 à la majeure partie de l’établissement.