โรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยมหาสารคาม ก่อตั้งขึ้นเมื่อวันที่ 22 มกราคม พ.ศ. 2540 โดยได้รับการอนุมัติจากสภามหาวิทยาลัย ซึ่งมีเป้าหมายหลักในการให้สวัสดิการทางการศึกษาแก่บุตรของบุคลากรในมหาวิทยาลัยมหาสารคาม ก่อนการก่อตั้งโรงเรียน คณะกรรมการการศึกษาได้ศึกษาถึงวิธีการดำเนินการ ปัญหาและอุปสรรคของโรงเรียนสาธิตตลอดจนความเป็นไปได้ของโครงการ ซึ่งคณะกรรมการที่จัดตั้งขึ้นเรียกว่า “คณะกรรมการโครงการจัดตั้งโรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยมหาสารคาม” ซึ่งประกอบด้วยคณาจารย์จากคณะต่างๆ มาร่วมเป็นกรรมการดำเนินงาน ด้วยเหตุที่โรงเรียนก่อตั้งใหม่ นอกจากนี้ยังประสบปัญหาอีกหลายประการ อันเนื่องมาจากการขาดแคลนงบประมาณ ทำให้ไม่มีสถานที่เรียนที่แน่นอน ต้องย้ายที่เรียนบ่อยครั้ง
        โรงเรียนเริ่มเปิดดำเนินการในปีการศึกษา 2540 เป็นปีแรก มีรองศาสตราจารย์จตุพร เพ็งชัย ดำรงตำแหน่งประธานโครงการจัดตั้งโรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยมหาสารคาม ทำหน้าที่รักษาการในตำแหน่งผู้อำนวยการโรงเรียนสาธิตฯ และทางโรงเรียนได้ใช้สถานที่เรียนชั่วคราว คือ บริเวณอาคารเรียนชั้นอนุบาลของโรงเรียนเทคโนโลยีคณาสวัสดิ์ ซึ่งขณะนั้นคณะครูอาจารย์ทุกคนต้องทำงานหนักมาก เพื่อให้การเรียนการสอนดำเนินไปด้วยดี หลังจากนั้นเมื่อปีการศึกษา 2541 โรงเรียนได้ย้ายมาใช้สถานที่ใหม่คือตึกคณะมนุษยศาสตร์และสังคมศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหาสารคาม (เดิม) และมี รศ.จตุพร เพ็งชัย เป็นผู้อำนวยการโรงเรียน ซึ่งทำงานภายใต้นโยบายของคณะกรรมการอำนวยการโรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยมหาสารคาม ที่มีอธิการบดีเป็นประธาน
        ในปีการศึกษา 2542 โรงเรียนได้ย้ายสถานที่เรียนอีกครั้งหนึ่ง โดยย้ายมาอยู่ที่อาคาร 2 (ตึกสำนักงานอธิการบดีเดิม) และอาคาร 3 (ตึกคณะวิทยาศาสตร์) ปีแรกของการเปิดทำการนั้น โรงเรียนรับสมัครนักเรียนชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 1 จำนวน 2 ห้องเรียน และชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 จำนวน 2 ห้องเรียน ผู้บริหาร ครู-อาจารย์ของโรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยมหาสารคาม ได้ร่วมแรงร่วมใจกันพัฒนาโรงเรียนให้ก้าวหน้าในด้านวิชาการ ด้านบุคลากร ซึ่งมีทั้งอาจารย์ประจำและอาจารย์ชาวต่างประเทศ ได้แก่ อาจารย์ Jusmine Rose, อาจารย์ David Morris, อาจารย์ Keiko Kurata เป็นต้น โรงเรียนได้รับการสนับสนุนและช่วยเหลือทางด้านงบประมาณจากมหาวิทยาลัยมหาสารคามโดยท่านอธิการบดี รศ.ดร.ภาวิช ทองโรจน์ ซึ่งให้ความอนุเคราะห์เป็นอย่างดี
        ปัจจุบันโรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยมหาสารคาม (ฝ่ายมัธยม) น 8 หลักสูตร ได้แก่ แผนการเรียนวิทยาศาสตร์-คณิตศาสตร์จำนวน 2 หลักสูตร คือ หลักสูตรทั่วไป หลักสูตรโครงการส่งเสริมศักยภาพนักเรียนที่มีความสามารถพิเศษ ด้านวิทยาศาสตร์-คณิตศาสตร์ และหลักสูตรโครงการห้องเรียนวิทยาศาสตร์ในกำกับมหาวิทยาลัย แผนการเรียนภาษาอังกฤษ-ภาษาฝรั่งเศส/ภาษาจีน/ภาษาญี่ปุ่น จำนวน 2 หลักสูตร คือหลักสูตรทั่วไปและโครงการส่งเสริมศักยภาพนักเรียนที่มีความสามารถพิเศษด้านภาษาอังกฤษ