Sekolah Menengah Kejuruan (SMK Negeri 3 Singaraja) semula bernama STM (Sekolah Teknologi Menengah) Nasional Singaraja. Sekolah ini berdiri pada tahun 1980 tepatnya pada tanggal 1 Juli 1980. Pendirian sekolah ini sepenuhnya didanai dari bantuan ABD (Asian Development Bank) kepada pihak Indonesia untuk mendirikan 51 Sekolah Teknik Menengah di wilayah Indonesia, yang mana pada awal program bantuan ini didirikan 17 Sekolah Teknik Menengah (STM) yang tersebar di pelbagai provinsi di Indonesia termasuk di Bali. Pada awal berdirinya STM Nasional Singaraja masih berstatus sebagai sekolah swasta. Pada tanggal 10 Januari 1981 bertempat di hotel Singaraja, jalan Pahlawan Singaraja, STM Nasional Singaraja diresmikan menjadi sekolah negeri dan berganti nama menjadi STM Negeri Singaraja. Acara perubahan status STM Nasional Singaraja menjadi STM Negeri Singaraja tersebut dihadiri oleh Bapak Putu Legawa, B.A, yang pada saat itu menjabat sebagai Kepala Bidang PMK Bali, serta Bapak Wayan Catra yang merupakan Kepala STM Nasional Singaraja yang kemudian statusnya berubah menjadi STM Negeri Singaraja. Surat Keputusan pendirian STM Negeri Singaraja dikeluarkan oleh Menteri Pendidikan dan Kebudayaan RI No. 0208/0/1980, dan keputusan tersebut berlaku mulai tanggal 1 Juli 1980.
Pendirian bangunan STM Negeri Singaraja dilaksanakan dari tahun 1981 sampai 1984. Pada saat itu STM Negeri Singaraja melakukan aktivitasnya dengan meminjam gedung di ST Negeri Singaraja di Jalan Surapati No. 112 Singaraja. Selama masa itu peralatan yang digunakan untuk menunjang proses pembelajaran masih sangat kurang. Setelah pembangunan gedung sekolah di jalan raya Gempol selesai, seluruh aktivitas STM Negeri Singaraja dipindahkan ke gedung baru tersebut. Sejak saat itu peningkatan sarana prasarana terus dilakukan untuk memenuhi kebutuhan proses pembelajaran dan sampai sekarang perlengkapan yang ada di sekolah ini sangat lengkap untuk menunjang proses pembelajaran tersebut.