Les archives communales de Mettray mentionnent la présence d'une école en 1835, créée probablement après l'adoption de la loi Guizot sur l'enseignement de 1833.

Une mairie-école est construite en 1854. En 1855, la vicomtesse de Brétignères de Courteilles fait don d'une somme d'argent permettant l'acquisition de mobilier pour la classe de garçons et la classe de filles et d'une rente pour son entretien. Selon ses volontés, l'école des filles est dirigée par deux religieuses de l'ordre de la Présentation de la Sainte-Vierge. Elle est l'épouse de Louis-Hermann de Brétignères de Courteilles, qui a fondé à Mettray, avec Frédéric-Auguste Demetz, la colonie agricole et pénitentiaire La Paternelle (1839).

En 1850, c'est par la volonté de la comtesse de Nanteuil qu'une école libre de filles est établie au hameau de la Membrolle, tenue par des religieuses. Elle devient une école communale en 1866 en même temps que l'école libre de garçons.

Un projet de construction d'une école de garçons est engagé en 1869 au hameau de la Membrolle. En 1873, le hameau devient une commune à part entière.

En 1903, la laïcisation de l'école des filles impose l'annulation du legs de 1854.

Durant la Première Guerre mondiale, 12 jeunes filles inscrites sont des réfugiées. Elles seront 18 durant la Seconde Guerre mondiale, dont 3 durant l'exode de 1940.

En 1953, la commune de Mettray dispose de 3 classes, dont l'une a été installée dans d'anciens bâtiments de la Colonie. 124 enfants sont scolarisés, dont 11 de moins de 6 ans. L'accroissement de la population communale incite la municipalité à faire construire 2 classes mixtes, selon le plan-type Studal-Prouvé. Les locaux sont inaugurés en 1957 aux Bourgetteries.

En 1978, une école maternelle composée de deux classes est construite. En 1988 on ajoute une troisième classe et l'école est dénommée école maternelle du Manoir. La même année une école élémentaire est construite, l'école du Moulin neuf. En 2020, on y ajoute des nouveaux bâtiments pour l'école maternelle. Les directions des deux écoles sont alors fusionnées.

En 2023, l'école accueille 175 élèves répartis en 7 classes.

Archives prises en charge dans l'établissement le 30 novembre 2023

Aux Archives départementales :

- T 1190 (cote provisoire) : écoles primaires, classement par commune

- 2O/152/16-18 : fonds de la préfecture, Service de l'administration communale

- 1007W219, 953W43, 128W131 : fonds du patrimoine immobilier départemental, bâtiments d'enseignement

- Edep152/R1, G15 : fonds de la commune, enseignement et œuvres périscolaires