โรงเรียนวิทยาศาสตร์จุฬาภรณราชวิทยาลัย นครศรีธรรมราช ตั้งอยู่เลขที่ 120 หมู่ที่ 1 ถนนสุนอนันต์ ตำบลบางจาก อำเภอเมือง จังหวัดนครศรีธรรมราช บริเวณบ้านมะขามเรียง หลักกิโลเมตรที่ 10-11 ทางหลวงหมายเลข 4013 สายนครศรีธรรมราช-ปากพนัง สังกัดสำนักงานเขตพื้นที่การศึกษามัธยมศึกษานครศรีธรรมราช สำนักงานคณะกรรมการการศึกษาขั้นพื้นฐาน กระทรวงศึกษาธิการ เปิดสอนระดับชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 1 ถึงระดับชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 บนเนื้อที่ 100 ไร่ เป็นที่ดินธรณีสงฆ์ ซึ่งได้รับความอนุเคราะห์ให้เช่าจากวัดมุจลินทราวาส มีเขตพื้นที่บริการ 5 จังหวัด ได้แก่ ชุมพร สุราษฎร์ธานี นครศรีธรรมราช พัทลุง และสงขลา
เนื่องในโอกาสที่สมเด็จพระเจ้าลูกเธอ เจ้าฟ้าจุฬาภรณวลัยลักษณ์ อัครราชกุมารี (พระอิสริยศ ณ ขณะนั้น) ทรงเจริญพระชนมายุครบ 3 รอบ ในวันที่ 4 กรกฎาคม 2536 ด้วยสำนึกในพระกรุณาธิคุณที่ ทรงมุ่งมั่นส่งเสริมคุณภาพชีวิตและการศึกษา โดยเพิ่มโอกาสแก่เยาวชนที่มีความสามารถพิเศษด้านคณิตศาสตร์วิทยาศาสตร์เทคโนโลยีและสิ่งแวดล้อมกรมสามัญศึกษา กระทรวงศึกษาจึงได้ประกาศจัดตั้งโรงเรียนเฉลิมพระเกียรติสมเด็จพระเจ้าลูกเธอเจ้าฟ้าจุฬาภรณวลัยลักษณ์อัครราชกุมารี จำนวน 12 โรงเรียน ทุกเขตการศึกษา โดยในจังหวัดนครศรีธรรมราช ได้จัดตั้งเมื่อวันที่ 27 กรกฎาคม พ.ศ. 2536 ต่อมาได้รับพระราชทานพระอนุญาตให้ขนามนามว่า โรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัย ต่อท้ายด้วยชื่อจังหวัดที่ตั้งโรงเรียน ใช้นามภาษาอังกฤษว่า “Princess Chulabhorn’s College” ตามหนังสือสำนักราชเลขาธิการที่ รล 0006/1036 ลงวันที่ 10 กันยายน พ.ศ. 2536 และมีประกาศของกระทรวงศึกษาธิการให้เปลี่ยนไปใช้ชื่อดังกล่าวเมื่อวันที่ 29 ธันวาคม พ.ศ. 2536
ในปี พ.ศ. 2539 สมเด็จพระเจ้าลูกเธอ เจ้าฟ้าจุฬาภรณวลัยลักษณ์ อัครราชกุมารี (พระอิสริยศ ณ ขณะนั้น) ได้พระราชทานแผ่นศิลาฤกษ์เมื่อวันที่ 15 มกราคม พ.ศ. 2539 ณ ห้องทรงงาน ชั้น 3 ตึกสรีรวิทยา โรงพยาบาลศิริราช ตามหนังสือสำนักราชเลขาธิการที่ รล 0007/0055 ลงวันที่ 12 มกราคม พ.ศ. 2539 และพระราชทานพระอนุญาตให้ใช้ตราสัญลักษณ์ประจำโรงเรียนแบบแรกซึ่งตามที่กระทรวงศึกษาธิการมีหนังสือที่ ศธ 0805/8847 ลงวันที่ 28 มิถุนายน พ.ศ. 2539 โดยปรับสีตามพระประสงค์โดยกองศิลปาชีพในพระองค์สมเด็จพระราชินีนาถ ในวันที่ 10 ตุลาคม พ.ศ. 2539
ในปีการศึกษา 2551 สำนักคณะกรรมการการศึกษาขั้นพื้นฐาน ร่วมกับโรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ ได้ร่วมกันเปิดการเรียนการสอนหลักสูตรวิทยาศาสตร์ของโรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ที่โรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัย ทั้ง 12 โรงเรียน โรงเรียนละ 1 ห้องเรียน จำนวน 24 คน โดยมีโรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ เป็นโรงเรียนต้นแบบและพัฒนาบุคลากร รวมทั้งควบคุมการใช้หลักสูตรตามมาตรฐานของหลักสูตรโรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ซึ่งเป็นโรงเรียนวิทยาศาสตร์ชาติและในปี พ.ศ. 2552 สำนักงานคณะกรรมการการศึกษาขั้นพื้นฐานพิจารณาเห็นว่าโรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัย ทั้ง 12 โรงเรียน จัดการเรียนการสอนตามหลักสูตรวิทยาศาสตร์ได้มาตรฐานเดียวกับโรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ จึงประกาศ ณ วันที่ 18 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2552 ให้โรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัย ทั้ง 12 โรงเรียนเป็น “โรงเรียนวิทยาศาสตร์ภูมิภาค” และเมื่อวันที่ 25 พฤศจิกายน พ.ศ. 2553 โดยอนุมัติของคณะรัฐมนตรีที่เสนอโดย นายชินวรณ์ บุณยเกียรติ รัฐมนตรีว่าการกระทรวงศึกษาธิการ ได้ดำเนินการพัฒนากลุ่มโรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัย เป็นโรงเรียนวิทยาศาสตร์ภูมิภาค โดยใช้ชื่อโรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัย นครศรีธรรมราช (โรงเรียนวิทยาศาสตร์ภูมิภาค) ใช้ชื่อภาษาอังกฤษ “Princess Chulabhorn Science High School Nakhon Si Thammarat” เริ่มรับนักเรียนหลักสูตรโรงเรียนวิทยาศาสตร์ภูมิภาค ปีการศึกษา 2554 และในปีการศึกษา 2558 มีแผนรับนักเรียนเต็มรูปแบบ โดย ชั้นมัธยมศึกษาตอนต้น (4:4:4) และชั้นมัธยมศึกษาตอนปลาย (6:6:6) รวม 30 ห้องเรียน จำนวนห้องละ 24 คน รวมนักเรียนทั้งหมด 720 คน
ต่อมา กระทรวงศึกษาธิการนำความกราบบังคมทูลสมเด็จพระเจ้าลูกเธอเจ้าฟ้าจุฬาภรณวลัยลักษณ์ อัครราชกุมารี (พระอิสริยศ ณ ขณะนั้น) ตามหนังสือ ที่ ศธ 04278/2112 ลงวันที่ 30 พฤษภาคม พ.ศ. 2561 ขอพระราชทานพระอนุญาตเปลี่ยนชื่อโรงเรียนเป็น “โรงเรียนวิทยาศาสตร์จุฬาภรณราชวิทยาลัย” ต่อท้ายด้วยชื่อจังหวัดที่เป็นสถานที่ตั้งของโรงเรียน และใช้นามภาษาอังกฤษว่า “Princess Chulabhorn Science High School” จากนั้นสำนักพระราชวังมีหนังสือที่ รล 0011.3/18298 ลงวันที่ 3 กรกฎาคม พ.ศ. 2561 แจ้งว่า ความทราบฝ่าพระบาทแล้ว พระราชทานพระอนุญาตให้เปลี่ยนชื่อโรงเรียนตามที่กราบทูลขอมา กระทรวงศึกษาธิการจึงออกประกาศเมื่อวันที่ 6 สิงหาคม พ.ศ. 2561 ให้เปลี่ยนชื่อโรงเรียน และสมเด็จพระเจ้าน้องนางเธอ เจ้าฟ้าจุฬาภรณวลัยลักษณ์ อัครราชกุมารี กรมพระศรีสวางควัฒน วรขัตติยราชนารี โปรดเกล้าโปรดกระหม่อมพระราชทานตราสัญลักษณ์ประจำโรงเรียนแบบใหม่ ซึ่งออกแบบโดยกรมศิลปากร จากนั้นเมื่อวันที่ 6 ธันวาคม พ.ศ. 2562 กระทรวงศึกษาธิการได้ประกาศให้โรงเรียนวิทยาศาสตร์จุฬาภรณราชวิทยาลัยทั้ง 12 โรงเรียนใช้ตราสัญลักษณ์ดังกล่าว