Trường tuyển một lớp chất lượng cao và năm lớp chuyên gồm: Toán, Tin học, Vật lý, Hóa học và Sinh học, mỗi lớp 90 em. Thí sinh nộp hồ sơ phải có hạnh kiểm, học lực và xếp loại tốt nghiệp THCS từ khá trở lên. Thí sinh được dự thi tối đa hai trong năm lớp chuyên. Các em phải thi ba môn là Ngữ văn, Toán (mỗi môn 120 phút) và môn chuyên (150 phút). Trừ Ngữ văn thi trắc nghiệm kết hợp tự luận, các môn còn lại đều thi tự luận. Theo kế hoạch, ngày 12/7, buổi sáng thí sinh thi Ngữ văn, chiều thi Toán chung. Sáng 13/7, các em thi Toán và Sinh học chuyên, chiều 17/3 thi Vật lý và Hóa học chuyên. Để đủ điều kiện xét tuyển, thí sinh phải tham cả ba bài thi, không vi phạm quy chế và không môn nào dưới 4 điểm. Điểm trúng tuyển các lớp chuyên là tổng điểm Toán và môn chuyên, trong đó môn chuyên nhân đôi. Điểm Ngữ văn là điều kiện, không dùng để tính điểm trúng truyển. Những thí sinh đăng ký dự thi lớp chất lượng cao phải làm thêm bài thi trắc nghiệm IQ trong 60 phút, sau đó được phỏng vấn trực tiếp. Điểm trúng tuyển của thí sinh lớp chất lượng cao là tổng điểm bài thi Ngữ văn, Toán chung và hai bài thi thêm, trong đó Toán nhân đôi. Ngoài phương thức thi tuyển, trường THPT chuyên Khoa học Tự nhiên dành tối đa 10% tổng chỉ tiêu (khoảng 45) để tuyển thẳng thí sinh đạt giải nhất trong các kỳ thi có quy mô cấp tỉnh. Kết quả tuyển thẳng được thông báo trước 15/6. Trường chuyên Khoa học tự nhiên (Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội) là cái nôi đào tạo nhiều học sinh giành huy chương các kỳ Olympic khu vực và quốc tế. Năm 2019, trường tuyển 450 chỉ tiêu, mỗi thí sinh phải chọi với 7 bạn để giành suất vào trường. Điểm trúng tuyển từ 17,5 đến 21,5. Thanh Hằng
Năm học 2020-2021, trường THPT chuyên Khoa học Tự nhiên tuyển 540 học sinh, tổ chức thi trong hai ngày 12-13/7, muộn gần hai tháng so với năm 2019.