Средняя общеобразовательная школа №3 размещается в одном из главных архитектурных памятников Аткарска – в здании бывшего реального мужского училища на углу улиц Ленина и Советской, построенного и открытого в 1899–1902 годах при Ф. Н. Павлюкове. С 1903 года действовало как учебное заведение, статус которого изменялся: 1903 год – мужское реальное училище. Согласно архивным данным школа с 1919 года по 1936 год называлась «Первая Аткарская Советская школа второй ступени». Школа советского формата была открыта в нём в 1926 году.
В 1926 году школу закончили: художник Бубнов Александр Павлович, автор картины «Утро на Куликовом поле», Герой Советского Союза Антонов Владимир Семенович, академик Смирнов Борис Михайлович, ученый историк Азовцев Николай Николаевич. В годы Великой Отечественной войны в здании школы располагался госпиталь №1689. На сегодняшний день здание занимает средняя школа №3. Здание, равно как и другие кирпичные постройки этого периода, прекрасно сохранилось и располагает столовой, библиотекой, актовым и спортивным залами. При школе работает музей Боевой славы. С 2015 года школа носит имя Героя Советского Союза Владимира Антонова – выпускника 1926 года. Здание признано памятником градостроительства и архитектуры регионального значения.
В огне пожара 1870 года сгорела единственная на тот момент казённая школа грамоты. Занимала она бывший дом помещика Кайсарова, находившийся в аварийном состоянии. Училась в школе только беднота, состоятельные же жители Аткарска отдавали детей частным учителям. Открытая после пожара новая школа также влачила жалкое существование и не имела даже парт. Такое положение дел резко начало меняться с 1880-х годов.
Из книги А.Н. Минха: "Реальное училище занимает, по сведениям Управы, городской дом, который построен в 1896 году по инициативе городского главы Федора Николаевича Павлюкова. В 1905 году здание расширено пристройкой, и в настоящее время оно соответствует своему назначению.
Аткарское реальное училище, по сведениям Григория Ивановича Пинегина, инспектора реального училища, основано в 1902 году, а открыто в 1903 году в составе первых четырех классов с постепенным открытием следующих. В истекшем 1906-1907 учебном году училище функционировало в составе полных семи классов, при двух параллельных и приготовительном. Учащихся было к 1 января 1907 года 311, из них детей жителей Аткарска 135, детей жителей Аткарского уезда 85, иногородних 91. В 1907 году был первый выпуск воспитанников VII класса в числе 13 человек. Окончило курс VI класса 14 учеников. Аткарское реальное училище дает окончившим курс те же права, что и все реальные училища при вступлении в реальную службу, при отбывании воинской повинности и при поступлении в высшие учебные заведения с поверочными испытаниями или по конкурсу аттестатов и свидетельств. Плата за ученье 40 рублей в год с ученика. При Аткарском реальном училище есть фундаментальная и ученическая библиотеки, физический и естественный кабинеты."
В начале XX века в городе уже работали церковно-приходская школа, мужское и женское начальные училища, женская восьмиклассная гимназия, реальное семиклассное, пригородное сельское и четырёхклассное городское (с ремесленными классами) училища. В пригородной слободе действовали три церковно-приходские и земская школы. Большинство этих учебных заведений ныне продолжают функционировать как школы современного формата в своих исторических зданиях.