Nhà trường khi bắt đầu thành lập chỉ có cơ sở giáo dục đầu tiên tại Quần Ngựa. Sau đó, có thêm cơ sở giáo dục tại Trịnh Hoài Đức, cơ sở Hà Đông, cơ sở tại Nam Ninh – Trung Quốc. Đến năm 2010, nhà trường vinh dự được nhận cơ sở tại Mỹ Đình nằm trong Trung tâm Đào tạo vận động viên cấp cao Hà Nội nhân chào mừng 1000 năm Thăng Long – Hà Nội.
Nhà trường nằm trong Trung tâm Huấn luyện và Thi đấu Thể dục Thể thao Hà Nội tại Mỹ Đình, với khuôn viên rộng rãi, sạch đẹp, tạo điều kiện thuận lợi cho học sinh không chỉ học tập văn hóa mà còn rèn luyện thể chất trong môi trường chuyên nghiệp.
Trường Phổ thông Năng khiếu Thể dục Thể thao Hà Nội có cơ sở vật chất khang trang, đáp ứng yêu cầu dạy và học theo Chương trình Giáo dục phổ thông 2018.
Tại cơ sở Mỹ Đình, nhà trường có 31 phòng học được trang bị đầy đủ bàn ghế, bảng viết, hệ thống chiếu sáng và quạt mát, đảm bảo môi trường học tập thuận lợi cho học sinh. Bên cạnh đó, trường còn có 6 phòng học chức năng được thiết kế chuyên biệt phục vụ cho các môn học thực hành, bao gồm:
Cơ sở vật chất hiện đại, đầy đủ của nhà trường là yếu tố quan trọng góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy và học tập, giúp học sinh phát triển toàn diện cả về tri thức lẫn thể chất.
