Tallinna Nõmme Gümnaasiumi eelkäijaks oli 11. augustil 1929. a. asutatud algkooli lõpetanutele mõeldud ja humanitaargümnaasiumi kava järgi töötanud Nõmme Linna Üldhariduslik Täienduskool.
Aasta hiljem, 4. juunil 1930. a. muudeti see Eesti Vabariigi otsusega Nõmme Linna Ühisgümnaasiumiks. See oli ühetüübiline 5-klassiline keskkool.
Seoses koolireformiga moodustati 1934. a. sügisel kooli baasil 4-klassilisel algkoolil põhinev 5-klassiline Nõmme Linna Keskkool, mis 1937. a. nimetati ümber Nõmme Progümnaasiumiks.
Sama aasta sügisest avati progümnaasiumi lõpetanutele 3-klassiline Nõmme Gümnaasium ja 1938. a. sügisel 6-klassilise algkooli lõpetanutele kolmeaastase kursusega Nõmme Linna Erakool, mis kuulus paralleelse õppeasutusena Nõmme Progümnaasiumi juurde.
Kool töötas alguses aadressil Raudtee tn. 55, endises Nõmme Gümnaasiumi Hiiu majas, mis alates 1.09.23 kannab nime Hiiu Kool.
Aegsasti hakati mõtlema ka uue koolimaja ehitamisele.
Koolimajale pandi nurgakivi Nõmme linna sünni 12.aastapäeval, 12. novembril 1938. a
Esimesed klassid kolisid uude koolimajja 1939. a. 5.septembril, 16. oktoobril võeti maja kasutusele täies ulatuses.
1. septembril 1940. a. nimetati kool uuesti ümber Tallinna X Keskkooliks.
II maailmasõja ajal kandis ta Tallinna X Gümnaasiumi nime, koolimajas tegutses sõjaväehaigla.
Pärast sõda sai kool taas nimeks Tallinna X Keskkool.
1945. a. sügisest muudeti 30. kool vene õppekeelega kooliks (asukohaga Raudtee68), ruumipuuduse tõttu paigutati osa vene lapsi 10. keskkooli majja. Õnneks jäi mõte luua Nõmmele üks suur kakskeelne segakool siiski ellu viimata.
Kooli 60. sünnipäeva ajal 1989. a. veebruaris andis hr. Heigo Miidla vilistlaste nimel koolile üle taastatud lipu, mille võttis direktor Arno Kikaselt vastu 12.a klassi õpilane Juhan Kreem.
1989. a. veebruaris avati ka kooli 5. lennu vilistlase Voldemar Panso bareljeef kooli fuajees.
Tallinna X Keskkooli nime kandis kool 1991. a. maini, mil ta Tallinna Linnavalitsuse otsusega nimetati Tallinna Nõmme Keskkooliks.
1992. a. sügisel ei võetud Tallinna Nõmme Keskkooli vastu 1. klassi õpilasi. Plaanis oli koolis hakata teadmisi jagama alates 7. klassist.
13. juunist 1994. a. kannab kool Riigi Kooliameti litsentsi alusel Tallinna Nõmme Gümnaasiumi nime.
1997. a. sügisest alustasid taas tööd 5. ja 6. klass. Kooli pääse
miseks pidid õpilased sooritama katsed.
1999. a. valmis juurdeehitusena torn, kus asub kooli raamatukogu.
Kooli 73. sünnipäeval 2002. a. veebruaris avati Lennart Meri bareljeef kooli raamatukogus. 2003. a. juunikuus lõpetas kooli 70. lend. Just selle lennu vilistlased on viimased, kellel oli veel võimalik oma koolis õppida 1. klassist alates.
19.juuni 2006.a. Tallinna Linna Volikogu määrusega liideti Tallinna Nõmme Gümnaasiumiga endine Hiiu Põhikool. Kool alustas 1. septembril tööd kahes majas.
2021. a. valmis kooli spordihoone, mille pidulik avamine toimus 28.01.2022.
Tallinna Linna Volikogu otsusega (25.04.2018) eraldati alates 1. septembrist 2023 Tallinna Nõmme Gümnaasiumi gümnaasiumi- ja põhikooliosa ning asutati Tallinna Haridusameti hallatav uus põhikool Hiiu Kool ja Tallinna Nõmme Gümnaasiumis lõpetati põhihariduse andmine.