A primeira aplicação do Saeb aconteceu em 1990 com a participação de uma amostra de escolas que ofertavam as 1ª, 3ª, 5ª e 7ª séries do Ensino Fundamental das escolas públicas da rede urbana. Os estudantes foram avaliados em Língua Portuguesa, Matemática e Ciências. As 5ª e 7ª séries também foram avaliadas em redação. Este formato se manteve na edição de 1993.
A partir de 1995 adotou-se uma nova metodologia de construção do teste e análise de resultados, a Teoria de Resposta ao Item (TRI), abrindo a possibilidade de comparabilidade entre os resultados das avaliações ao longo do tempo. Neste ano, foi decidido que o público avaliado seriam as etapas finais dos ciclos de escolarização: 4ª e 8ª séries do Ensino Fundamental (que correspondem ao 5º e 9º ano atualmente) e 3º ano do Ensino Médio. Além da amostra da rede pública, em 1995 foi acrescentada uma amostra da rede privada. Neste ano não foram aplicados testes de Ciências.
Nas edições de 1997 e 1999, os estudantes matriculados nas 4ª e 8ª séries foram avaliados em Língua Portuguesa, Matemática e Ciências, e os estudantes de 3º ano do Ensino Médio em Língua Portuguesa, Matemática, Ciências, História e Geografia.
Nas edições de 1990 e 2003 as provas foram aplicadas a um grupo de escolas sorteadas em caráter amostral, o que possibilitou a geração de resultados para unidades da federação, região e Brasil.
É importante ressaltar que a partir da edição de 2001, o Saeb passou a avaliar apenas as áreas de Língua Portuguesa e Matemática. Tal formato se manteve nas edições de 2003, 2005, 2007, 2009 e 2011.
Em 2005 o SAEB foi reestruturado pela Portaria Ministerial nº 931, de 21 de março de 2005, passando a ser composto por duas avaliações: Avaliação Nacional da Educação Básica (Aneb) e Avaliação Nacional do Rendimento Escolar (Anresc), conhecida como Prova Brasil.