L’edificio in cui si trova oggi la sede principale della scuola, nel centro storico di Belluno, ha una lunga storia.Il consiglio della Serenissima, con lettera ducale del 27 giugno 1608, approvò la richiesta del Consiglio dei Nobili di Belluno di fondare un convento nella città, sotto la regola di Santa Chiara e l’invocazione di Santa Maria di Loreto (da cui il nome di Borgo e via Loreto). La costruzione iniziò nel marzo del 1612 in località detta “Favola”, oggi Borgo Garibaldi.
L’edificio fu completato nel 1632 e fu occupato dalle suore nel 1634. Il monastero fu soppresso giuridicamente con decreto Napoleonico il 25 aprile 1810 e fu immediatamente abbandonato dalle suore.
I locali dell’ex convento di Santa Chiara, acquistati nel 1811 dal Comune di Belluno, furono usati prima come magazzino e poi alcune volte come caserma.
Nel 1822 detti locali furono destinati alla scuola comunale, divisa in scuola minore e maggiore. Nel 1851 i due corsi di quarta classe furono trasformati in Scuole Reali. Nel 1863 il piano superiore dell’ex convento fu adibito a sede della scuola con tre classi che nel 1867 formarono la Real Scuola Tecnica “T. Catullo”. Il 25 novembre 1822, furono istituiti in Belluno i due corsi di quarta classe annessi alla Imperial Real Scuola Elementare Maggiore.
Nel 1834 fu istituita una Scuola Professionale dove un professore di disegno impartiva tutte le domeniche e feste dell’anno scolastico due ore di lezione di ornato, di geometria meccanica e di architettura agli artieri, agli operai della città e agli alunni della Scuola Elementare.
Questa utile istituzione crebbe, in breve, in tal credito da richiamare un gran numero d’allievi provenienti in parte anche dai comuni limitrofi. E che abbia continuato a dare ottimi risultati ne fanno prova gli attestati onorevoli, che ottenne la scuola nelle mostre di Parigi, Milano e Belluno e i premi che, in alcune di esse riportarono molti distinti artisti bellunesi, come Besarel, Seffer, Bortotti, Danielli, Sommavilla, Giacomini, Bettio, Gasperini ed altri, i quali tutti più o meno, appresero in questa Scuola i primi rudimenti del disegno, per cui ottennero buona fama nella pittura, nell’intaglio in legno e nella scultura.
Nel 1851 fu formulato un nuovo piano d’insegnamento tecnico inferiore e superiore, applicato ai corsi di quarta classe, e l’Istituto fu trasformato in Scuola Reale inferiore, con aggiunta di un terzo anno di studio.
Le materie d’istruzione, rese obbligatorie, per questo nuovo corso completo, erano: religione, lingua italiano e tedesco, geografia e chimica, aritmetica e pratiche cambiarie e daziarie, storia naturale, fisica, disegno lineare e a mano libera e calligrafia, distribuite per ogni corso con 33 ore di lezione per settimana, delle quali almeno otto per classe erano dedicate al disegno due alla religione e due o tre alla calligrafia.
La scuola nel 1867, fu pareggiata alle altre del Regno, con facoltà di rilasciare attestati valevoli per l’ammissione agli Istituti Tecnici Superiori e per concorsi per l’impiego pubblico. Nel 1868, il Governo Nazionale, separando, com’esigeva la Legge, l’istruzione tecnica dall’elementare, affidava l’intero peso economico dell’istruzione tecnica al Comune. E fu il Comune, a intitolarla a “Tommaso Catullo”.
Nel 2010 la scuola ha iniziato anche l’ordinamento liceale, aprendo, a seguito della riforma Gelmini, il corso di liceo artistico, con gli indirizzi grafico, arti figurative e multimediale.