เดิมเป็นโรงเรียนประชาบาล ประเภทประชาชนจัดตั้ง วัน เดือน ปี ที่เปิดทำการสอนครั้งแรก ไม่ทราบแน่นอน อยู่ในอุปการะของวัดท่าชัย ทำการสอนอยู่บนหอฉัน มีนายทา จิตหนัก เป็นครูใหญ่คนแรก มีครูคนเดียว และได้นิมนต์พระภิกษุสงฆ์มาช่วยทำการสอน
ในปี พ.ศ. 2475 เจ้าอาวาสวัดท่าชัย ร่วมกับชาวบ้านสร้างอาคารเรียนชั่วคราวขึ้น 1 หลัง เป็นอาคารไม้ ใต้ถุนสูง มี 3 ห้องเรียน มีมุขกลางเป็นห้องพักครู บรรจุนักเรียนได้ประมาณ 90 คน สร้างอยู่บริเวณวัดท่าชัย ได้ทำพิธีมอบอาคารเรียนให้แก่ทางราชการเมื่อวันที่ 13 กุมภาพันธ์ พ.ศ.2475 โดยมีนายอำเภอปากพลี เป็นผู้รับมอบ ได้เปลี่ยนฐานะเป็นโรงเรียนประเภทนายอำเภอจัดตั้ง ขึ้นอยู่กับอำเภอปากพลี ต่อมาย้ายมาขึ้นกับ อำเภอวังกระโจม และอำเภอวังกระโจมได้เปลี่ยนมาเป็นอำเภอเมืองนครนายกในปัจจุบัน
ปี พ.ศ.2483 แม่น้ำนครนายกได้เปลี่ยนทิศทางเดินกระแสน้ำ ทำให้พัดกัดเซาะตลิ่งพังเข้ามาใกล้อาคารเรียน ทางราชการจึงได้รื้อย้ายอาคารเรียนมาปลูกสร้าง ด้านฝั่งตรงข้ามเยื้องวัดท่าชัย โดย นางชุนกี ศิลาทอง ได้มอบที่ดินให้จำนวน 3 ไร่ เพื่อใช้เป็นสถานที่จัดตั้งโรงเรียนในปัจจุบัน และได้ก่อสร้างอาคารเรียนเสร็จเรียบร้อย ทำการเปิดเมื่อวันที่ 1 พฤษภาคม พ.ศ.2485
วันที่ 15 สิงหาคม พ.ศ.2507 ได้งบประมาณจากกรมสามัญศึกษา กระทรวงศึกษาธิการ 15,000 บาท สภาตำบลหินตั้ง 8,000 บาท นางชุนกี ศิลาทอง 10,000 บาท รวม 33,000 บาท สร้างอาคารเรียนแบบ 001 จำนวน 3 ห้องเรียน แทนอาคารเรียนหลังเก่าซึ่งชำรุดทรุดโทรมมาก
วันที่ 10 เมษายน พ.ศ.2508 นางสาวสำอางค์ ศิลาทอง ได้มอบเงินจำนวน 7,000 บาทเพื่อทำฝาห้องเรียน
วันที่ 2 ตุลาคม พ.ศ.2509 โอนมาสังกัดองค์การบริหารส่วนจังหวัดนครนายก
วันที่ 1 ตุลาคม พ.ศ.2522 ได้รับอนุญาตให้เปิดเรียนถึงระดับประถมศึกษาตอนปลาย
วันที่ 1 พฤศจิกายน พ.ศ.2524 องค์การบริหารส่วนจังหวัดนครนายก ได้สร้างอาคารเรียน แบบ ป.1 ข. ขนาด 4 ห้องเรียน จำนวน 1 หลัง ใช้เป็นที่เรียนในปัจจุบัน
เดือนมีนาคม พ.ศ.2530 ได้รับงบประมาณจากสำนักงานคณะกรรมการการประถมศึกษาแห่งชาติ จัดสร้างอาคารเรียน และอาคารประกอบดังนี้
1 .อาคารเรียน แบบ 105/29 ขนาด 6 ห้องเรียน งบประมาณ 890,000 บาท
2. อาคารอเนกประสงค์ แบบ 202/26 งบประมาณ 200,000 บาท
3. ห้องส้วม แบบ 601/29 งบประมาณ 20,000 บาท
4. ถังเก็บน้ำฝน แบบ ฝ.33 จำนวน 1 ชุด งบประมาณ 35,000 บาท
วันที่ 2 สิงหาคม พ.ศ.2532 เวลา 14.45 น. สมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี ได้เสด็จเยี่ยมโรงเรียนวัดท่าชัยเป็นการส่วนพระองค์ โดยเสด็จเยี่ยมห้องเรียนทุกชั้นเรียน ทรงเสด็จเยี่ยมห้องสมุด ห้องศูนย์สื่อ ห้องประกอบอาหาร แปลงเกษตร เสด็จกลับเวลา 15.35 น. และทรงมีพระมหากรุณาธิคุณ ให้โรงเรียนวัดท่าชัย เป็นโรงเรียนในโครงการตามพระราชดำริ ดำเนินกิจกรรมตามโครงการพัฒนาเด็ก และเยาวชนในถิ่นทุรกันดาร ตามพระราชดำริ
ปัจจุบัน โรงเรียนวัดท่าชัย เป็นโรงเรียนขนาดเล็กพิเศษ มีบุคลากรครูและบุคลากรทางการศึกษารวมทั้งสิ้น 5 คน ได้รับพระมหากรุณาธิคุณจากสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี ให้เป็นโรงเรียนในโครงการตามพระราชดำริมีพื้นที่โรงเรียน ประมาณ 3 ไร่
อาคารเรียนมี 2 หลัง หลังที่ 1 เป็นแบบ ป.1 ข ขนาด 4 ห้องเรียนชั้นบนใช้เป็นห้องเรียนชั้นประถมศึกษาปีที่ 1 ถึง 5 ชั้นล่างต่อเติมดัดแปลงเป็นห้องพยาบาล ห้องกิจกรรมสหกรณ์นักเรียน ห้องเก็บพัสดุ ห้องเก็บเครื่องมือการเกษตร และหลังที่ 2 เป็นแบบ สปช.104/29 มี 6 ห้องเรียน ชั้นบนดัดแปลงเป็นห้องเรียนคอมพิวเตอร์ ห้องพักครู ห้องธุรการ ห้องเรียนปฏิบัติการทางภาษา ชั้นล่าง ใช้เป็นห้องสมุด ห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์ และห้องเรียนชั้นอนุบาล อาคารประกอบมี 5 หลัง ประกอบด้วย หอประชุม 1 หลัง โรงอาหาร 1 หลัง ส้วม 3 หลัง จำนวน8 ที่นั่ง บริเวณด้านข้างและด้านหลังของโรงเรียน ใช้เป็นพื้นที่ดำเนินกิจกรรมโครงการเกษตรเพื่ออาหารกลางวันตามพระราชดำริ มีกิจกรรมการปลูกผักสวนครัว สวนผลไม้ พืชสมุนไพร การเพาะเห็ด การเลี้ยงไก่พันธุ์ไข่ และเลี้ยงปลาในบ่อซีเมนต์ เพื่อนำผลผลิตที่ได้ร่วมกับงบประมาณที่ได้รับจัดสรรมาจัดทำอาหารกลางวันให้กับนักเรียนทุกคนได้รับประทานเป็นประจำทุกวัน
ประชาชนและผู้ปกครองนักเรียนส่วนใหญ่ประกอบอาชีพเกษตรกรรม ทำนา ทำสวนผลไม้ ปลูกไม้หอม ปลูกผัก ขยายพันธุ์ไม้ผลไม้ประดับเพื่อจำหน่าย หาของป่า และรับจ้างทั่วไป ส่วนใหญ่มีฐานะยากจน นับถือศาสนาพุทธ มีภาษาถิ่นเหมือนคนไทยภาคอีสาน
ปัจจุบัน โรงเรียนวัดท่าชัย เปิดทำการเรียนการสอน 2 ระดับ ได้แก่ ระดับก่อนประถมศึกษาและระดับประถมศึกษา จำนวน 8 ห้องเรียน มีนักเรียนจำนวน 66 คน มีข้าราชการครูทั้งหมด 4 คน ธุรการโรงเรียนจำนวน 1 คน