民国二十五年（1936年），学校采用半日制，分上下午教学。

民国二十七年（1938年），学校改隶于女师学院。

民国三十年（1941年），男女两师范学院合并为师范大学，学校更名为国立北京师范大学附属第二小学校。

民国三十一年（1942年），学校添设半日制二部实验班。

民国三十二年（1943年），学校添设的实验班改为全日制。

民国三十三年（1944年），学校改制为单式编制，设小学初级一至四年各3班，高级一二年各3班，幼稚园一二年3班，共24个班。抗日战争期间，学校注重对学生的爱国主义教育，在日伪的统治下，学校师生顶住奴化教育的狂潮，学习中国优秀的语言文化，学校教育学生精诚团结，不做东亚病夫。

民国三十四年（1945年），学校改隶于北平临时大学补习班第七分班。

民国三十五年（1946年），北京临时大学补习班关闭，国立北平师范大学复员，改称国立北平师范学院，学校更名为国立北平师范学院附属第二小学。

1955年，学校更名为“北京第二实验小学”，改属中华人民共和国教育部领导，成为一所实验小学。先后承担教育部、中国科学院、中国教育科学研究院、北京师范大学等部门的教育科学研究实验任务。

1965年，文学家郭沫若先生为学校亲笔题写“北京第二实验小学”的校名。

1959年至1966年，北京第二实验小学先后改由北京市人民政府和西城区人民政府直接领导。

1966年至1976年，“文革”期间，北京第二实验小学校名分别更改为延安小学、手帕胡同小学、新华小学。

1979年3月31日，“北京第二实验小学”校名恢复。

1997年，北京第二实验小学新任校长李烈提出“双主体育人”的办学思路，以“以爱育爱”为核心理念，形成新的学校文化。

2001年5月，北京第二实验小学接收原新文化街二小（石驸马二小），并进行改造工程，拆迁了占地一千二百平方米的副食店、二十九户居民及临街铺面房，恢复了克勤郡王府的原貌，在该址设立王府校区。

2003年9月1日，北京第二实验小学王府校区作为学校低年级部，招收一年级新生入学。同年9月9日，时任国务院总理温家宝来北京第二实验小学慰问师生，题写学校理念“以爱育爱”。

2004年6月，北京第二实验小学接收原北礼士路二小，并用两个月时间完成改建。同年9月1日，在该校址设立官园校区，开始招收一年级新生。

2006年9月，北京第二实验小学总部原址手帕胡同18号改建为华能大厦，学校总部迁入新文化街134号周转；同时，北京第二实验小学启动“北京第二实验小学还建工程”，建设新校区。

2007年12月19日，北京第二实验小学新文化街校区新址投入使用。

2012年，经北京市西城区教育委员会批准，北京第二实验小学教育集团成立。

2014年，北京第二实验小学合并了原西城区民族团结小学和长安小学，分别改称为德胜校区、长安校区，北京第二实验小学成为了拥有五个校区的小学（新文化街、王府、长安、德胜、官园）。

2017年，北京第二实验小学王府校区西扩工程（称为王府西院，与原王府校区合成为“大王府校区”）竣工并投入使用。同年，北京第二实验小学官园校区关闭，交还给西城区教委。

截至2019年9月，北京第二实验小学设有多媒体教学设施、设置27个专科教室，校图书馆藏书近100000册，有1个游泳馆、1个篮球馆、1个综合馆。

截至2019年9月，北京第二实验小学共有新文化街、王府、长安和德胜4个校区，分布于北京市西城区3个学区，总占地面积56800多平方米，建筑面积62000多平方米。北京第二实验小学共有6个年级，127个教学班，4506名学生。

截至2019年9月，北京第二实验小学有397名教职员工，有市、区学科带头人和骨干教师120人（如马丽英），正高级教师3人（李烈、华应龙等），高级教师50人，其中特级教师2人（李烈、华应龙），另有博、硕士共63人。

北京第二实验小学在2019年北京市中小学生武术健身操、武术集体套路比赛中获得了武术健身操《雏鹰展翅》一等奖。北京第二实验小学游泳队在2019年北京市中小学生游泳比赛中共派出34名同学参赛，在15个项目中取得了较好的名次，包括女子甲组50米蝶泳第一名、100米蝶泳两项第一名、男子乙组50米自由泳第一名、女子乙组100米仰泳第一名、以及团体总分第一名。

2015年，北京第二实验小学获得北京市小学成语文化知识才艺竞赛活动决赛团体特等奖。

2012年，北京第二实验小学金帆合唱团获得北京市第十五届学生艺术节金帆团合唱展演最佳技巧奖。2022年2月，北京冬奥会期间，北京第二实验小学金帆舞蹈团等57名学生参加北京冬奥会开幕式、闭幕式演出活动。

北京第二实验小学语文教研组曾在2008年、2009年连续两年获得北京市语言文字工作优秀集体奖。2022年2月，北京第二实验小学教师余斌入选北京冬奥会开幕式、闭幕式导演组。

北京第二实验小学数学教师华应龙曾获北京市人民政府教学成果一等奖、首届全国教育改革创新奖、首届“明远教育奖”。据2019年9月北京第二实验小学官网显示，华应龙出版有《我就是数学》《华应龙和化错教学》等8本专著，在《人民日报》《光明日报》《人民教育》《中国教育报》等报刊发表了《化错课堂，求真育人》《教是因为需要教》《让学习像呼吸一样自然》等500多篇文章。

1978年，北京第二实验小学（时称新华小学）被中华人民共和国教育部确定为全国重点小学。

1986年，北京第二实验小学成为首批联合国教科文组织俱乐部成员校。

2012年7月，北京第二实验小学被评为第六批北京市语言文字规范化示范校。

2017年8月，北京第二实验小学被评为全国校园篮球特色学校。

2020年4月，北京第二实验小学被评为义务教育学校管理标准达标学校。同年5月，北京第二实验小学被评为北京市中小学科技教育示范学校。同年9月，北京第二实验小学被评为北京市第二批奥林匹克教育示范学校。

2021年1月，北京第二实验小学入围2020年全国青少年校园足球工作优秀名单。

2022年4月，北京第二实验小学荣获“北京2022年冬奥会、冬残奥会北京市先进集体”称号。

北京第二实验小学的办学理念是“以爱育爱”，校内摆放有时任国务院总理温家宝题写的“以爱育爱”四个大字。

北京第二实验小学实施素质教育，希望培养具有“大气、博爱、智慧、致行”的学生。

“北京第二实验小学”的校名由文学家郭沫若于1965年题写。

北京第二实验小学校徽为绿色原型图案，上有校名题字。

北京第二实验小学王府校区位于全国重点文物保护单位克勤郡王府内，校园内保存着清代原貌。王府路南影壁尚存；府前部只存东翼楼；后部的内门、后寝与东西配房、后罩房保存完整，西部跨院也存大部原有建筑。大部分王府建筑用作学校教学楼。