בתי הספר של "עזרה" ביפו ובירושלים לא בוטלו לאחר החרם הכללי שהוטל מטעם הוועד הפועל הציוני, היות שרק חלק מהתלמידים עבר לבתי ספר עבריים. בתי ספר אלו הוחזקו באופן זמני על ידי הקרן לשעת חירום והועברו בהמשך לרשות המוסדות הציוניים. אחד העם כותב על בתי הספר ביפו: "בתי הספר ביפו נוסדו בשנת תרנ"ג – נוסדו, ככל שאר מוסדי היישוב החדש בא"י, בדרך מקרית: בלי מטרה מוגבלת, בלי תוכנית ברורה, בלי פּרוֹגרמא מושׂכּלת, בלי מקורי-הכנסה בטוחים." בניגוד להם, בית הספר הריאלי העברי בחיפה סימן מפנה בתולדות החינוך העברי בארץ ישראל כשזכה להכרה כבית ספר לאומי בעל מסגרת, כיוון מבוסס לעתיד ועמדה עברית-ציונית המגובה בממון.
בית הספר במלחמת העולם הראשונה.
עם פרוץ מלחמת העולם הראשונה בשנת 1914, נפרד בירם מבית הספר לחמש שנים והתגייס לצבא הגרמני, שבמסגרתו שירת בתחנת הרכבת בעפולה. במקומו מונה למנהל בספטמבר 1914 יוסף עזריהו (עוזרקובסקי). במהלך שנות ניהולו, הושלם מבנהו של בית הספר כבית ספר תיכוני. עזריהו הכניס למוסד גם בנות (עד אז מטרת בית הספר הייתה הכשרת בנים המתעתדים לרכוש השכלה טכנית גבוהה), ובכך הפך אותו לדומה לשאר הגימנסיות העבריות שפעלו בארץ ישראל באותה תקופה.
אותותיה של המלחמה באירופה והשפעותיה על ההתרחשויות הפנימיות ביישוב היהודי בארץ ישראל השפיעו על התפתחות החינוך הארץ-ישראלי שהגיע לימי שפל לאחר תקופה של צמיחה, שכללה את הקמת בית הספר. מצבו הרע של בית הספר הושפע מגזרותיו של ג'מאל פאשה שאסר על כל פעילות ציבורית עברית וביטל את האוטונומיה של היישוב. בשנת 1918 נאסר עזריהו, מנהל בית הספר, בעקבות גילוי של אי-סדרים בתעודותיו של אחד המורים בבית הספר בהקשר של מילוי חובותיו הצבאיות. לאחר מספר שבועות, בהם ישב במאסר בחיפה, הועבר לבית הכלא בנצרת והואשם בהשתתפות בריגול, ככל הנראה גם בעקבות קשריו המחקריים עם אהרון אהרונסון. לאחר כחודש בכלא נצרת שכללו איומים בעינויים ובעונש מוות, שוחרר לפתע.
ספר הפרוטוקולים הקצר משנים אלה מצביע על קשיי המורים בהמשכת העבודה הסדירה ובריסון התלמידים: בעוד שלפני המלחמה תפסו מקום רחב בסדר היום של מועצות המורים תוכניות לעתיד ועניינים כלליים הנוגעים לסדרים בבית הספר ולקידומה של העבודה החינוכית, הרי עתה הצטמצמו הדיונים לענייני יום-יום הקשורים ברעב שבעיר, במצב התלמידים ובצרות המשמעת הלקויה. גם הצורה החיצונית של הפרוטוקולים נשתנתה. אין למצוא עוד אותו סדר והקפדה בכתיבת כל פרוטוקול, שהיו נהוגים קודם לכן. נוסף על כך, בשל חוסר באמצעים נאלצו לפטר את הרופאה של בית הספר ובשל מחסור בספרי לימוד, היה קושי להספיק ללמד את מלוא החומר לפי תוכנית הלימודים. הקשיים שחוו המורים והתלמידים כללו קושי לנוע ברחובות העיר, רעב וגיוסים לצבא של אנשי היישוב העברי. פחד הגיוס אפף בעיקר את תלמידי הכיתות הגבוהות בבית הספר, שהיו אמורים להישלח לבית ספר צבאי בטורקיה, אך לא רצו לעשות זאת ונחשבו לעריקים בעיני המשטרה הטורקית. כדי להקטין את הסכנה לתפיסת התלמידים, הופרדה הכיתה העליונה פיזית מבית הספר ברחוב יפו ועברה לבית הכנסת שבשכונת הרצליה, שבנייתה החלה ב-1907. כדי להיזהר גם שם מהמשטרה הצבאית הטורקית, עשו התלמידים את דרכם לבית הספר דרך חצרות וגדרות ואת הכביש הראשי היו עוברים רק בהינתן אות שהדרך פנויה מתלמיד-צופה. למרות הקשיים המרובים, מעידות המחברות המסודרות שנשתמרו מתקופה זו בבית הספר, על האווירה הרצינית ועל התעניינות התלמידים בלימודים ושקידתם הרבה. כמו כן תלמידים רבים נראו סביב המפות הגדולות שנתלו במשרד שפתחו בחיפה גדודי הצבא של מדינות הציר, שבהן עקבו בערנות אחר המתרחש מעבר לקווי האויב והתווכחו על סיכויי הניצחון.
באוקטובר 1917 לאחר הגעתן של ידיעות על הצהרת בלפור ועל פריצת הצבא הבריטי את החזית הטורקית-גרמנית שליד באר שבע, הצטרפו חלק מבוגרי המחזור הראשון של בית הספר לגדוד העברי, ומיד שימשו שם כמדריכים.
בשמחת תורה תרע"ט, ספטמבר 1918 שוחררה חיפה בידי האנגלים. במרץ 1918 הגיעו לארץ חברי "ועד הצירים לארץ ישראל" שהיה אמור לתקן את הריסות המלחמה ולחזק את החינוך העברי. פעולותיהם היו בקנה מידה קטן מאוד וכמעט שלא סייעו לבית הספר הריאלי. אולם עם החלתו של המנדט הבריטי על ארץ ישראל, עברו לרשות ההסתדרות הציונית כל בתי הספר של חברת "עזרה" ובכללם גם בית הספר הריאלי שהיה נתון לפיקוח מסוים מצד הוועדים הציוניים.
לאחר מלחמת העולם הראשונה.
בשנת 1919 חזר בירם לנהל את בית הספר. בשנות העשרים נוסד שבט הצופים "משוטטי בכרמל". בשנת 1924 נפתחו שתי כיתות עליונות (י"א ו-י"ב) ונפתחה מגמה הומניסטית (במקביל למגמה הריאלית). לקראת שנת 1920 נפתחה אגודת "ידידי בית הספר", שתפקידה היה, בין השאר, לשכלל את המוסד, לדאוג לאספקת צורכי לימוד ומכשירים שונים, להרחיב את הספריות וכדומה. פעולותיה של האגודה הצליחו, שכן הודות לעבודתן בית הספר יכול היה לרכוש מכשירים רבים, רהיטים וכלים לעבודה בעץ ובמתכת.
עד שנת 1921 נפתחו בארץ ישראל שלושה בתי ספר תיכוניים עבריים בלבד: הגימנסיה העברית יפו, הגימנסיה העברית ירושלים ובית הספר הריאלי העברי בחיפה. שלושה אלו היו תחת פיקוחם של המוסדות הציוניים בארץ ישראל, ומטרתם משותפת - הכשרת הנוער לעבודה בארץ וללימודים גבוהים. בדין וחשבון על אודות החינוך בארץ ישראל, נמסר כי בשלושה מחזורים בבית הספר הריאלי סיימו 19 תלמידים. 13 מהם נמצאים בארץ והם עוסקים: 7 בפקידות, 4 בחקלאות, 2 בעבודות טכניות. 6 מהם לומדים באקדמיה בחו"ל - 2 באירופה ו-4 באמריקה.
בטרם שנות העשרים הונהגה בבית הספר עבודה מעשית בפיזיקה ובכימיה - תוכנית לימוד ייחודית לבית הספר הריאלי, בנוסף לתוכנית הייחודית שהביא עמו ד"ר בירם מגרמניה - תוכנית ה-Realschule, שמטרתו הייתה להכין את התלמידים לטכניקום ולשים לב ללימודים הריאליים והמעשיים. לפיכך עיקר תשומת הלב ניתנה ללימודי מתמטיקה, טבע, ציור ועבודה. התוכנית הייתה מצומצמת יותר מזו של הגימנסיה ביפו (הגימנסיה העברית "הרצליה"), היות שמספר שנות הלימוד היה 10 בלבד, שנתיים נוספות על שנות הלימוד של בית הספר העממי. הודות לתרומותיהם של סוחרים ובעלי עסקים בעיר חיפה, בית הספר התרחב גם מבחינת תשתיותיו וניתן היה ללמד בו עבודות עץ ומתכת, לרכוש בזמן קצר אוסף גדול של מכשירים ולהרחיב את מקצוע ה"עבודה". בית הספר הריאלי היה היחיד בעת ההיא ששילב בין בנים לבין בנות בכל שכבות הגיל ועד שנת 1921 שימש כבית הספר עממי עבור השכבות הנמוכות. בשנת 1921 הופרדו חמש שכבות הגיל התחתונות של בית הספר והוא הפך לבית ספר "עממי" מבחינת הפיקוח עליו, וחמש המחלקות העליונות נשארו כ"בית ספר ריאלי" תיכוני.
במהלך שנות השלושים הגיע מספר התלמידים ליותר מאלף, נפתחו סניפים חדשים - יסודי במרכז הכרמל ותיכון באחוזה, ונרכשו אדמות בהדר ובאחוזה. בשנת 1936 החלו שיעורי הגדנ"ע, ובשנת 1938 הונהגה תלבושת אחידה. בשנים 1940–1948, עקב מלחמת העולם השנייה והמאבק להקמת המדינה, הלימודים התקיימו במשמרות, והתלמידים הבוגרים גויסו לשנת שירות.
הפנימייה האזרחית.
השקפת בירם הייתה שחינוך שלם אפשרי רק אם התלמידים נמצאים במשך כל שעות היום באווירת בית-הספר. שאיפה זו הוגשמה בפנימיית בית-הספר. הפנימייה נפתחה בשנת 1923 בפעילותה של המורה למשק, גברת חנה טומשבסקי, בשני אוהלים גדולים שנשלחו מגרמניה - אחד ללינה ואחד לחדר אוכל. בשנת 1924 הונחה אבן הפינה לבניין הפנימייה וכעבור שנה, עברה הפנימייה לבית הקבוצה ב"בית וולפסון" (בשנות האלפיים, בקצה רחוב שמריהו לוין).
גברת טומשבסקי נישאה לארתור בירם ועזרה לו בדאגתו למוסד. יחד עם ניהול העבודה המשקית דאגה גברת בירם לחיים הפנימיים בפנימייה.
לאחר שבית הספר קיבל לרשותו את בית פבזנר, נוסד סניף של הפנימייה שיועד לבנות.
למרות הקשיים התקיימה הפנימייה עד מלחמת העולם השנייה. היא הוסיפה תלמידים לבית-הספר, עזרה לאיזון תקציבו ובמיוחד קירבה נוער עברי מחוץ-לארץ להווי הארץ וקישרה אותו אליו. חלק ניכר מבין אלה שהתחנכו בפנימייה נשאר אחר-כך בארץ ונקלט בה.
לאחר קום המדינה.
בשנת 1948 פרש בירם מניהול בית הספר (בגיל 70), ומונה ליו"ר מועצת המנהלים. במקומו מונה יוסף בנטוויץ'. במהלך שנות החמישים הוקם סניף בית בירם (החטיבה העליונה), ולמנהלו הראשון התמנה שמחה נהיר. בשנת 1953 נוסדה הפנימייה הצבאית לפיקוד.
בשנת 1955 פרש בנטוויץ', ובמקומו מונה למנהל יצחק שפירא, אחיו של הסופר ש. שלום. במהלך שנות כהונתו, שונה מבנה בית הספר לשש כיתות יסוד ושש כיתות תיכון. בנוסף לכך, בימיו של שפירא כמנהל, הוענק מעמד של כיתות מוכרות לכיתות היסוד, החלו לפעול מגמות לימוד נוספות והונהגו "לימודים מוגברים" בחטיבה העליונה, בבית בירם נחנכו בניינים ובהם כיתות תיכון, מעבדות, אולם כנסים וספרייה חדשה. אגפים חדשים נפתחו אז גם בסניפי הכיתות היסודיות והתיכוניות באחוזה.
השנים המאוחרות.
בשנת 1983 שפירא פרש, ומונה לנשיא בית הספר. במקומו מונה למנהל ד"ר ישעיהו תדמור, בוגר בית הספר. בתקופת כהונתו פותחו תוכניות חינוכיות לדמוקרטיה, ציונות והכנה לשירות בצה"ל. בתחום יחסי יהודים-ערבים נפתח הפרויקט "דו קיום", בשיתוף עם בית הגפן – מפגשי תלמידות תלמידים מהחטיבה העליונה של בית הספר עם תלמידות ותלמידים מבתי ספר ערביים בעיר ומחוצה לה, וכן פרויקט ימ"י (ילדים מלמדים ילדים) - מפגשי תלמידות ותלמידים מכיתות היסוד וחטיבות הביניים של בית הספר ובתי ספר ערבים, אלה מלמדים את אלה ערבית, עברית ומנהגים שונים.