Lilleküla Gümnaasiumil on kaks algust. Koolilaul (P. Aimla sõnad) räägib neist ühest:
Kahekümnes sajand,
aasta seitsekümmend viis.
Taas mitmed suured majad
said Lillekülla siis.
üks hoone näis nii erakordselt taibukas,
et sinna linn gümnaasiumi paigutas.
See stardirada hariduse teel
nüüd jagab tarkust veel ja veel!
Teine algus on aastast 1869, mil asutati Haabersti 3-klassiline kool. Sealt viidi õpilased 1962. aastal üle Tallinna 45. Keskkooli, kust omakorda koliti 1975. aastal Tallinna 3. Keskkooli uutesse ruumidesse. Praegugi töötab meie koolis õpetajaid, kes sellal koos õpilastega uude kooli ümber asusid.
Varem oli 3. Keskkool eelkõige tuntud bioloogiakallakuga koolina. 1976. aastal avati esimene bioloogia erikallakuga klass, viimane lõpetas 1997. aastal. õpetaja Linda Metsaorg on loonud 3. Keskkooli bioloogia "koolkonna" - kõikjal vabariigis leidub 3. Kk lõpetanud bioloogiaspetsialiste.
1985. aastal avati ka informaatika süvaõppeklass (arvutiteks MIR ja hiljem Jukud).
1990ndatel sai kool Tiigrihüppe abiga kaks kaasaegsete arvutitega sisustatud arvutiklassi, nüüdseks püüdleme ülekoolilise WIFI-võrgu ja esitlustehnika abil tavakabinetis läbiviidud ainetunni poole. Hea arvutiõpetuse andmine õpilasele on ka nüüd üks kooli prioriteete.
1975. aastaga võrreldes on kool praegu tänu remondile palju ilusam. Kooli nimi rohelisel seinal paistab Kuldnoka tänavalt tulijale juba kaugelt silma. Meil on uus, kaasaegne staadion, kool on ümbritsetud piirdeaiaga, siseruume on renoveeritud - ehitatud uusi keelekabinette, puhvet, videoklass jm.
Kooli direktoriteks on olnud Arno Aser (1975–1978) ja Albert Raamat (1978–1999). Alates 11. augustist 1999 on kooli direktoriks Jaan Paas.
Kool on kandnud mitmeid nimesid:
- Tallinna 3. Keskkool
- V. Võrgu nimeline Tallinna 3. Keskkool
- Tallinna Lilleküla Keskkool
- Tallinna Lilleküla Gümnaasium
