История школы берет свое начало со второй половины XIX века, когда в 1861 году при Нижнетоемском Знаменском погосте была открыта церковно-приходская школа.

В 1904 году в Нижней Тойме было построено первое отдельное здание церковно-приходской школы (потом в нём долгое время располагался Нижнетоемский музей). До революции преподавали русский язык и арифметику, а также Закон Божий.

С 1904 по 1930 год директором школы был священник Знаменского прихода Павел Владимирович Чевский. В ночь с 25 на 26 ноября 1930 года загорелась церковь. К ответственности был привлечен П.В. Чевский: его освободили от занимаемой должности, арестовали и репрессировали.

Первыми учителями, преподававшими в школе, были Василий Андреевич Копытов, Александра Аполлоновна Зарапина, Любовь Васильевна Попова, Августа Прокопьевна Папулова, Вера Васильевна Попова, Анастасия Степановна Назарьина, Иван Павлович Барминский, Михаил Васильевич Котин, Анастасия Петровна Быкова, супруги Дмитрий Степанович и Фаина Алексеевна Тарабукины.

В 1924 году школа в Нижней Тойме именовалась школой повышенного типа (школа-семилетка). К 1963 году общими усилиями сельского Совета, колхоза «Красный Октябрь», Сплавконторы построили новое здание школы, впоследствии преобразованной в восьмилетнюю.

В 1967 году школа была преобразована в среднюю. В 1969 году состоялся первый выпуск 10 класса.

Нижнетоемская школа принимала выпускников Прилуцкой и Георгиевской начальных школ, Шошельской восьмилетней школы. Для их проживания открыли два пришкольных интерната.

В 1975 году введено в эксплуатацию здание автошколы. Здесь преподавали предмет «машиноведение»: вместе с теоретическим курсом учащиеся 8-10 классов проходили практику на тракторах ДТ-75, МТЗ-80, Т-40. После успешной сдачи экзамена выпускники получали Свидетельство сельского механизатора по специальности тракторист-машинист.

В 1981 году закончилось строительство здания учебных мастерских для проведения уроков труда с токарным и слесарным оборудованием.

В 1992 году открыто новое здание пришкольного интерната, в котором после закрытия начальных школ в деревне Георгиевская и деревне Прилук стали проживать учащиеся 1-11 классов из отдалённых деревень.

В 1964 году – начале 1990-х при школе работал школьный краеведческий музей, созданный и возглавляемый Раисой Сергеевной Сенчуковой.

В течение нескольких лет на базе школы работал летний лагерь труда и отдыха, в котором трудились старшеклассники, оказывая помощь колхозу «Красный Октябрь» по заготовке сена. Лагерь неоднократно становился победителем областных соревнований.

Также на базе школы в 1960-е годы в летние каникулы работал детский оздоровительный лагерь, в котором отдыхали дети со всего Верхнетоемского района.

На протяжении всей истории существования Нижнетоемской школы ею руководили директора:

Надежда Алексеевна Малетина (1943-1946),

Евлалия Семёновна Степанова (1946-1950),

Василий Степанович Тюпин (1950-1953),

Лидия Ивановна Назарьина (1953-1977),

Надежда Павловна Врадий (1977-1987),

Николай Иванович Перевозников (1987-1988),

Татьяна Васильевна Назарьина (1988-1989, 1992-1995),

Галина Васильевна Назарьина (1989-1992),

Ирина Сергеевна Миронова (1995-2012).

За большой личный вклад в развитие образовательной организации на здании школы установлена мемориальная доска памяти директора Лидии Ивановны Назарьиной.

Нижнетоемской школе посвятили свою трудовую деятельность учителя, имеющие награды и звания:

• Раиса Сергеевна Сенчукова, учитель географии, Почётный гражданин Верхнетоемского района, награждена медалью «За трудовое отличие»;

• Галина Васильевна Назарьина, учитель математики, «Отличник народного просвещения»;

• Раиса Владимировна Фока, учитель русского языка и литературы, «Отличник народного просвещения»;

• Наталья Аркадьевна Вострякова, учитель русского языка и литературы, победитель конкурса в рамках приоритетного национального проекта «Образование – 2008»;

• Светлана Николаевна Замятина, учитель математики, призер районного конкурса «Учитель года 2010»;

• Татьяна Ивановна Назарьина, победитель районного конкурса «Учитель года 2009», участник областного конкурса «Учитель года 2009».

Выпускники, окончившие школу с золотой медалью: Пиликина Ольга (2000), Вострякова Анастасия (2007), Артемьева Дарья (2009), Рухлова Ирина (2011), Гавзова Светлана (2012), Тюлюбаев Анатолий (2017), Тюлюбаев Николай (2018), Драчева Полина (2019), Тюлюбаева Надежда (2020);

- с серебряной медалью: Половенская Полина (2003), Миронова Тая (2010), Саввин Дмитрий (2011), Костылева Дарья (2018).

В 2018 году школа вошла в «ТОП-29» регионального рейтинга общеобразовательных организаций, демонстрирующих стабильную динамику улучшения образовательных результатов. В школе созданы условия для развития творческого, спортивного, художественного потенциала обучающихся, успешно реализуются дополнительные общеразвивающие программы «Шахматы в школе», «Баскетбол», работает театральная студия «Балаганчик», телестудия НФСИ («Школьная газета», «Творческая мастерская»), мультстудия «Нордик».

В 2023 году МБОУ «Нижнетоемская СОШ» стала участником федеральной программы «Модернизация школьных систем образования», в рамках которой в школе проведен капитальный ремонт.

За годы существования школы неоднократно менялось ее наименование: в 1999 г. Нижнетоемская средняя школа переименована в муниципальную Нижнетоемскую среднюю общеобразовательную школу; в 2011 г. муниципальная Нижнетоемская средняя общеобразовательная школа переименована в муниципальное бюджетное образовательное учреждение муниципального образования «Верхнетоемский муниципальный район» «Нижнетоемская средняя общеобразовательная школа»; в 2022 г. муниципальное бюджетное образовательное учреждение муниципального образования «Верхнетоемский муниципальный район» «Нижнетоемская средняя общеобразовательная школа» переименовано в муниципальное бюджетное образовательное учреждение Верхнетоемского муниципального округа «Нижнетоемская средняя общеобразовательная школа».