Menyadari pentingnya pendidikan sebagai suatu upaya untuk memajukan bangsa, maka pemerintah Republik Indonesia melalui Menteri Dinas Pendidikan dan Kebudayaan mengeluarkan Keputusan yang bernomor : 0577/0/1977 pada tanggal 17 Januari 1977 yang menetapkan berdirinya SMA Negeri 3 Denpasar. Seiring dengan perkembangan jaman serta kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi di tanah air, SMA Negeri 3 Denpasar sebagai salah satu sekolah umum yang secar periodic mengikuti penggunaan dan penyempurnaan kurikulum dengan cirinya masing-masing,mulai dari kurikulum 1975, 1984, 1994, 2004 (Kurikulum Berbasis Kompetensi) hingga penggunaan KTSP (Kurikulum Berbasis Tingkat Satuan Pendidikan). Sejak tahun 1998 berdasarkan Surat Keputusan Kantor Wilayah Departemen Pendidikan Nasional dan Kebudayaan Provinsi Bali,SMA Negeri 3 Denpasar ditetapkan sebagai sekolah unggulan untuk Kota Denpasar.Identitas sebagai sekolah unggulan berjalan seirama dengan prestasi yang diraih oleh sekolah dan mulai tahun 2008 pemerintah daerah bersama dengan Departemen Pendidikan Nasional mempersiapkan sebagai rintisan Sekolah Kategori Mandiri (SKM). Berkat Kerja Keras dan Disiplin akhirnya pada tahun 2009, SMA Negeri 3 pun mendapat kategori sebagai Rintisan Sekolah Bertaraf Internasioanl (RSBI) Juni 2009 yang nantinya akan menuju Sekolah Berstandar Internasioanl (SBI).Perjalanan panjang sekolah dengan semua komponennya terlalui dengan semangat ‘’Datang dan Pergi Untuk Sebuah Cita-Cita’’ yang selalui disertai dengan penanaman budaya disiplin, kesederhanaan, kekeluargaan, dan kebersamaan untuk terus maju menjadi sekolah bermutu.
Kepala Sekolah yang memimpin SMA Negeri 3 Denpasar sejak berdiri tahun 1997 hingga sekarang adalah Bapak Drs. Putu Sedana adalah kepala sekolah yang pertama dan peletak dasar penanaman sikap disiplin, kesederhanaan, kekeluargaan, dan kebersamaan. Semuanya itu tercermin dalam kegiatan keseharian siswa yang tidak diperkenankan mengendarai kendaraan bermotor untuk tujuan ke sekolah, pola pakaian yang seragam dan penampilan yang santun. Kurang lebih satu tahun proses kegiatan pembelajaran berlangsung, SMA Negeri 3 Denpasar telah menempati gedung baru yaitu sekolah yang ada sekarang.
Selanjutnya kepemimpinan SMA Negeri 3 Denpasar dijabat oleh Bapak I Made Bandung, BA. Yang sebelumnya beliau menjabat sebagai wakil kepala sekolah. Prestasi mengagumkan datang silih berganti dan semakin menambah prestise sekolah, tidak hanya Provinsi Bali tetapi juga hingga tingkat Nasional.
Sejak bulan November 1991 Bapak I Made Bandung, BA diangkat sebagai pengawas di lingkungan Kanwil Depdikbud Provinsi Bali, yang kemudian kepemimpinan SMA Negeri 3 Denpasar digantikan oleh Drs. Gede Sumarabawa yang sebelumnya adalah wakil kepala sekolah SMA Negeri 1 Denpasar. Berbagai upaya dan kebijakan dilakukan dengan memberdayakan semua komponen yang ada terutama sekali adalah sumber daya manusia untuk meningkatkan mutu pendidikan. Perjalanan kepemimpinan kurang lebih tujuh tahun dan dalam suasana kekeluargaan banyak yang telah dilakukan dan banyak pula prestasi yang telah dicapai. Pada saat bersamaan pula keluar kebijakan pemerintah Depdikbud bahwa nama sekolah diganti menjadi SMU Negeri 3 Denpasar. Pergantian kepala sekolah berlangsung di Kota Denpasar, Bapak Drs. Gede Sumarabawa diangkat sebagai Kepala Sekolah SMU Negeri 1 Denpasar. Sedangkan di SMU Negeri 3 Denpasar kepemimpinan dipercayakan kepada Bapak Drs. Made Sumerta yang sebelumnya menjabat sebagai Kepala SMU Negeri 4 Denpasar. Bersamaan dengan periode ini turunlah Surat Keputusan dari Kanwil Depdiknas Provinsi Bali yang mana SMU Negeri 3 Denpasar ditetapkan sebagai salah satu sekolah unggulan SMU di Provinsi Bali. Sejak itu pula prosos penerimaan siswa baru dilakukan dengan dua jalur yaitu melalui jalur Tes Potensi Akademik (TPA) dan jalur Nilai Ebtanas Murni (NEM).
Mulai tahun Pelajaran 1999/2000, Bapak Drs. Made Sumerta diberikan tugas baru di lingkungan Dinas Pendidikan sedangkan pimpinan di SMU Negeri 3 Denpasar dipercayakan kepada Bapak Drs. I Gusti Lanang Jelantik, M.Si. Sebelumnya beliau adalah Kepala SLTP negeri 3 Denpasar dan sebelumnya lagi beliau sebagai guru SMU PRAJA ADIBRATA 3 - 2022/2023 Negeri 3 Denpasar. Pengalaman di dunia pendidikan yang demikian panjang disertai dengan kemampuan yang dimiliki sungguh dapat memberikan semangat dan motivasi tersendiri di dalam membangun SMU Negeri 3 Denpasar.
Kurang lebih dua tahun pelajaran pendidikan di SMU Negeri 3 Denpasar, Bapak Drs. I Gusti Lanang Jelantik, Msi. Mendapat tugas baru yaitu menjabat Kepala Sub Dinas Pendidikan Menengah di Dinas Pendidikan dan Kebudayaan Kota Denpasar. Kepemimpinan selanjutnya dipercayakan kepada Bapak Drs. I Made Suana, M.Pd. yang sebelumnya adalah sebagai koordinator wakil kepala sekolah. Beliau lebih banyak melanjutkan program yang telah tersusun sebelumnya dan dengan sasaran yang pasti adalah memberdayakan komponen sumber daya yang ada untuk meraih prestasi yang lebih baik. Berdasarkan Surat Keputusan dari Kanwil Depdiknas Propinsi Bali penerimaan siswa baru SMU Negeri 3 Denpasar seratus persen diambil melalui jalur Tes Potensi Akasdemik (TPA) bersamaan itu pula SMU Negeri 3 Denpasar, diubah kembali menjadi SMA Negeri 3 Denpasar.
Sejak akhir tahun 2004 kepemimpinan SMA Negeri 3 digantikan oleh Bapak Drs. Ketut Suyastra, M.Pd. yang mana sebelumnya beliau menjabat sebagai Wakil Kepala Sekolah urusan kesiswaan. Nampaknya beliau tetap menanamkan disiplin pada seluruh siswa karena menurut beliau kunci dari keberhasilan adalah kedisiplinan. Pembentukan sikap mental adalah menjadi sasaran beliau di dalam merebut prestasi di bidang akademis maupun di luar akademis dengan bermuara pada siswa yang Cerdas, Mandiri, Berbudaya, dan Berkarakter Lingkungan.
Sejak tahun 2018, tongkat kepemimpinan SMA Negeri 3 Denpasar dilanjutkan oleh Drs. Ida Bagus Sudirga, M.Pd.H. yang sebelumnya menjabat sebagai Wakil Kepala Sekolah bidang kurikulum di SMA Negeri 4 Denpasar. Selanjutnya pada tahun ajaran 2020/2021 bapak Drs. Ida Bagus Sudirga, M.Pd.H. memimpin sekolah dalam masa pandemi COVID- 19. Walaupun di masa pandemi, beliau dapat mendayagunakan seluruh komponen pendidikan dalam rangka menjamin terlaksananya pembelajaran dengan suasana berbeda. Seperti memberi semangat dan apresiasi kepada guru, siswa dan orang tua, dapat mencetak prestasi-prestasi serta terobosan baru untuk SMA Negeri 3 Denpasar yang masih berlandaskan 5 Pilar TRISMA. Jelang masa purnabaktinya beliau mendirikan sebuah monumen di depan gedung Pradnya Paramitha bertajuk Parama Widya Patra, monumen ini didirikan dengan maksud khusus atas dasar semangat mengedepankan kesetaraan keseimbangan antara Pendidikan dan Kebudayaan. Bapak Drs. Ida Bagus Sudirga, M.Pd.H memasuki masa purnabakti pada Selasa, 1 Maret 2022 dan beliau digantikan oleh Bapak Pelaksana Tugas M.Rida, S.Pd, M.Pd.
Setelah Bapak Pelaksana Tugas M.Rida, S.Pd, M.Pd menjabat selama kurang lebih 3 bulan, pada Jumat, 24 Juni 2022 tongkat estafet kepemimpinan diserahkan kepada Kadek Dwi Rustinawati, S.Pd, M.Pd. Di tengah masa transisi antara pandemi menjadi endemi beliau tetap berjuang untuk membangun dan mengembangkan SMA Negeri 3 Denpasar dengan berlandaskan 5 Pilar Trisma, aitu Kedisiplinan, Kesederhanaan, Kebersamaan, Kekeluargaan, dan Kejujuran