L'ENS accueille rue d'Ulm, dans le 5e arrondissement de Paris, des élèves aussi bien scientifiques que littéraires. Différentes voies sont ouvertes. La principale est celle des premiers concours, de niveau bac + 2. Ceux qui les préparent sont majoritairement issus de classes préparatoires. Il existe deux concours littéraires et quatre concours scientifiques :
Les concours littéraires offrent 100 postes chaque année et les concours scientifiques 90. Chez les littéraires, A/L offre 75 postes, et B/L 25. Chez les scientifiques, MP/MPI offre 40 postes, PC et BCPST 21 chacun et INFO 8.
Il existe également un second concours (groupe F/S) destiné aux étudiants en médecine ou en pharmacie.
La Sélection internationale (SI) est réservée aux étudiants étrangers inscrits en dernière année du premier cycle d’études universitaires dans leur pays. Les épreuves sont à la fois écrites et orales, générales ou propres à chacune des 22 options proposées, de la linguistique théorique à l'informatique. La SI offre chaque année 10 bourses d'études littéraires et 10 bourses d'études scientifiques, chacune d'une durée de trois ans.
En outre, des étudiants admis à préparer le diplôme sont sélectionnés sur dossier et entretien académiques à l'issue de deux ou trois années d'études supérieures en France (premier cycle universitaire, CPGE, etc.) ou à l'étranger. Ils ont accès à la même formation et au même encadrement que les élèves et étudiants recrutés par les autres voies, et reçoivent le même diplôme à l'issue de leur scolarité. Les départements scientifiques offrent plus de places au titre de ce mode de recrutement que les départements littéraires (78 admissions contre 53 en 2009).
Enfin, l'ENS accueille des étudiants issus d'universités étrangères, les pensionnaires en accord d'échange, et des doctorants, français et étrangers, au sein de ses différents laboratoires.
Forte de son projet scientifique axé sur la recherche fondamentale, l'ENS forme ses élèves à la recherche par la recherche et pour la recherche. Dans le prolongement du caractère généraliste des concours d'entrée, l'interdisciplinarité s'ajoute à la spécialisation croissante des cursus. L'ouverture internationale et professionnelle (stages) est très tôt encouragée. Un tutorat individuel est assuré par les caïmans. La finalité de la scolarité réside dans le doctorat, et plus de 85 % des normaliens accèdent au grade de docteur. Depuis 1985, les élèves ne sont plus tenus de passer l'agrégation.
La scolarité dure quatre années. Les élèves sont libres de choisir leur cursus. Certains élèves peuvent ainsi se développer une solide culture multidisciplinaire. La formation suit le cursus européen LMD. La scolarité des scientifiques comprend une L3, un M1 et un stage, un M2 puis l'agrégation. Une majorité d'élèves débutent une thèse avant leur sortie de l'école. La scolarité des élèves littéraires est moins balisée, mais l'agrégation demeure un passage obligé dans certaines disciplines. Certains élèves deviennent également lecteurs pour un an ou plus dans une université étrangère. Des cours de langues étrangères et des cours pour non-spécialistes sont nécessaires pour obtenir le diplôme de l'ENS, nouvellement créé. Aucun classement de sortie n'a jamais existé.
La scolarité et le régime des diplômes à l'ENS ont récemment fait l'objet d'évolutions significatives. L'ENS avait la particularité de ne délivrer aucun diplôme. Dans certaines disciplines, en particulier scientifiques, existent des formations organisés par l'ENS en collaboration avec des établissements de la région parisienne. Par ailleurs, à la fin du cycle de scolarité, les étudiants peuvent obtenir le diplôme d'établissement, diplôme de niveau master validant les séminaires, stages et cours suivis pendant la scolarité. Les élèves peuvent postuler à ce diplôme mais n'y sont pas statutairement tenus.
Enfin, l'ENS délivre des doctorats dans certaines disciplines et ce dans une moindre mesure que les autres ENS de Cachan et de Lyon. Les élèves, et parfois certains étudiants, ont la possibilité de postuler à une allocation de recherche de l'ENS en suivant une procédure couplée d'attribution associant l'ENS et une université de rattachement, où s'inscrit le doctorant.
Depuis une loi de 1948, mise en œuvre par André Marie et Yvon Delbos, les élèves acquièrent durant leur scolarité la qualité de fonctionnaire stagiaire et s'engagent à servir l'État pour une période de 10 ans, leur scolarité à l'ENS comprise ; cette clause d'« engagement décennal », qui remonte à Napoléon Ier, est diversement appliquée. Ils s'engagent également à passer l’agrégation, ou un master recherche (ou, dans de rares cas, un master professionnel). En tant que fonctionnaires, ils sont nommés par arrêté ministériel et perçoivent dès le début de leurs études à l'ENS un traitement mensuel net d'environ 1 300 € (1 350 € à partir de la deuxième année) et sont soumis aux dispositions du statut de la fonction publique. Chaque année, tous les élèves établissent, en accord avec les directeurs des études, un programme d'études. Tout élève ne parvenant pas à valider les diplômes ou concours prévus dans ce programme d'études peut être mis en « congé sans traitement », voire être renvoyé sur décision du ministre chargé de l'Enseignement supérieur, au bout de plusieurs échecs (en théorie du moins mais cette sanction n'est quasiment jamais appliquée). Ce régime n'est pas applicable aux étudiants des différentes formations proposées par l'ENS (diplômes nationaux de master et de doctorat et diplôme d'établissement).
Le régime de l'internat, autrefois obligatoire pour tous les élèves non mariés, est désormais simplement conseillé pour les élèves effectuant leur première année de scolarité, et proposé pour les années ultérieures, sous réserve de places disponibles. Trois sites accueillent les internes : le site de la rue d'Ulm (au 45 et au 46), le site de Jourdan, dans le 14e arrondissement de Paris, et enfin celui de Montrouge, en proche banlieue parisienne (voir plus bas thurnage). À ce jour, les capacités limitées de ces sites ne permettent pas l'hébergement des étudiants des différentes formations de l'école, mais ces derniers ont accès, à la différence des élèves, aux services d'hébergement du CROUS de Paris.
Le port de l'uniforme pour les élèves a été aboli le 22 octobre 1849.