Vác első gimnáziumát Kollonich Zsigmond váci püspök alapította. 1714-ben 10 ezer forint éves kamatját (600 Ft), valamint a felsővárosi Szent Mihály plébánia vezetését és jövedelmét ajánlotta föl a piarista rend számára, hogy a városban latin nyelvű gimnáziumot létesítsen. A piaristák 1714 novemberében kezdték meg a tanítást az alsó négy osztályban, egy főtéri házban, a Szent Mihály templom mögött, a püspök palotájához közel. 1719-ben az alapító második utódja, Althann Mihály Frigyes püspök elvette a piaristáktól a plébániát. Ekkor azonban helynöke, Berkes András saját főutcai házát adta a rendnek, amelyet 1725 és 1727 között rendházzá és iskolává építettek át, majd a következő évtizedekben többször bővítettek. A gimnázium a felső két osztály megnyitásával 1733-ban vált teljessé, 1765-ben pedig Mária Terézia királynő alapítványából filozófiai (bölcsészeti) tagozattal egészült ki. Ezt látogatták a Migazzi Kristóf püspök által 1762-ben alapított nemesi konviktus diákjai is, amely 1767-ben beolvadt a szintén a királynő által alapított, piarista irányítású Theresianumba, a filozófiai tanfolyammal együtt. Migazzi püspök építtette a székesegyház térre tekintő új gimnáziumi szárnyat is, amely 1781-ben készült el. II. József császár rendeletei következtében 1784-ben a Theresianum megszűnt (épületét 1855-től fegyházzá alakították), majd 1785-ben a gimnázium is kénytelen volt a domonkosoktól elvett főtéri kolostorba költözni. A piaristák csak a császár halála után, 1796-ban tértek vissza saját épületükbe.
Az 1848/1849. évi szabadságharc után bevezetett új középiskolai rendhez (Entwurf) igazodva, az iskola 1850/1851-től négyosztályos magyar nyelvű gimnáziumként nyílt meg. 1870-ben Peitler Antal püspök fölajánlásából ismét megnyílhatott az 5-6. osztály, majd Peteróczy László kartali plébános adományából 1880-ban a 7-8. osztály is. Az osztályok és diákok bővülő száma miatt a gimnázium épületét új szárnnyal kellett megtoldani, amelyet Schuster Konstantin püspök építtetett föl 1893-ban. Az évek során ez is szűknek bizonyult, így 1940/1941-ben Hültl Dezső terve szerint a régiek mellé újabb épületet emeltek, amelynek homlokzata a székesegyház klasszicista stílusához igazodik. A régi gimnázium fölszabadult termeiben 1943-ban diákotthon (fiúkonviktus) nyílt.
A gimnáziumba 1945-től lányokat is fölvettek, ha nem is nagy számban. 1946/1947-től a gimnázium alsó tagozatából valamint az Isteni Megváltó Leányai koedukált elemi iskolájából alakult meg a Kalazanci Szent József Általános Iskola. 1948-ban azonban a kommunista hatalom mindkét iskolát és a konviktust is államosította. Az államosított gimnázium 1950-től Sztáron Sándor néven működött, majd a szocializmus bukásakor, 1989-ben Madách Imréről nevezték el.
A diktatúra bukása után a piarista iskola 1991-ben éledt újra a piarista rendház termeiben, négyosztályos fiúgimnáziumként. A folyamatosan bővülő intézmény lassanként, 2003-ig elhúzódóan kapta vissza saját épületét, amelyet addig a Lőwy Sándor, majd Boronkay György Műszaki Szakközépiskola használt. 1998 szeptemberére készült el az udvar helyén álló új sportcsarnok. 2001-től az újonnan induló gimnáziumi osztályokba (9. évfolyam) lányokat is fölvettek, 2002-től pedig megindult a nyolcosztályos képzés (5. osztálytól, fölmenő rendszerben), 2004-től pedig a nyelvi előkészítő évvel bővített (1+4 osztályos) képzés. Az épület fő utcai szárnyában 2005-ben fiúkollégium nyílt, majd 2011-ben a gimnázium leánykollégiumot is indított a püspökség által biztosított külön épületben.
Neves piarista tanárai: Dezericzky Ince (1702–1763) teológus, történész; Pállya István (1739–1906) színműíró, provinciális; Bolla Márton (1751–1831) történész, tartományfőnök; Hanák János (1812–1849) biológus; Pivár Ignác (1843–1905) gyógypedagógus; Bán Márton (1884–1968) múzeumigazgató.
Nevezetes diákok: Argenti Döme (1809–1893) orvos, homeopata; Wenzel Gusztáv (1812–1891) jogtudós; Haynald Lajos (1816–1891) kalocsai érsek, botanikus; Madách Imre (1823–1864) drámaíró; Nagy Iván (1824–1898) történész; Tragor Ignác (1869–1941) helytörténész; Korniss Gyula (1885–1958) filozófus, kultúrpolitikus; Dercsényi Dezső (1910–1987) művészettörténész.
