Объединенная международная математическая олимпиада «Формула Единства» / «Третье тысячелетие» возникла в 2013 году как результат объединения двух отдельных олимпиад.
Более старая из них — международная дистанционная математическая олимпиада школьников «Третье тысячелетие» — проводится с 2001 года. Она в свою очередь продолжает традиции Соросовской олимпиады по математике, которая проводилась в 1994–2000 годах в рамках Международной Соросовской Программы (наряду с олимпиадами по физике, химии и биологии). В конце 2000 года Джордж Сорос перестал финансировать этот проект, и было объявлено об отмене 2‑го и 3‑го туров седьмой Соросовской олимпиады. Руководители Международного дистанционного математического кружка, в программу которого уже четвертый год входило участие в Соросовской олимпиаде, приняли решение провести в марте 2001 года олимпиаду по математике, воспроизводящую формат Соросовской. Олимпиада проводилась в различных регионах и странах, первичная проверка работ легла на плечи организаторов на местах. Составление задач и проверку лучших работ взяло на себя жюри в Санкт-Петербурге, которое возглавил В. П. Федотов. С оглядкой на дату новая олимпиада получила название «Третье тысячелетие».
Согласно поступившим с мест протоколам, в олимпиаде 2001 года участвовали не менее 45 тысяч школьников из 14 стран (Россия, Украина, Беларусь, Казахстан, Узбекистан, Грузия, Молдова, Азербайджан, Латвия, Польша, Венгрия, Израиль, Мексика, США). В последующие годы массовость участия и география олимпиады заметно расширились. Основная масса участников представляет Россию и Беларусь. Ежегодно в числе призеров есть школьники из Украины, Казахстана и Грузии, много раз побеждали участники из США и Эстонии, в отдельные годы дипломантами олимпиады становились представители Канады, Польши, Румынии, Индии, Вьетнама, Молдовы и других стран.
Независимо от олимпиады «Третье тысячелетие» в 2012 году была организована олимпиада «Формула Единства» как составная часть программы по работе с одаренными школьниками с одноименным названием, осуществляемой Санкт-Петербургским государственным университетом совместно с Международным благотворительным фондом поддержки математики имени Леонарда Эйлера. Изначально олимпиада была предназначена для отбора в международный летний математический лагерь «Формула Единства», который проходил в Петербурге в июле 2012 года (на базе Академической гимназии СПбГУ).
В 2012 году в олимпиаде «Формула Единства» приняли участие более 900 школьников 7–10 классов из 9 стран (Россия, Испания, Таджикистан, Казахстан, Израиль, Хорватия, Белоруссия, Украина, США).
В 2013 году было принято решение об объединении этих двух олимпиад, и появилась объединенная международная математическая олимпиада «Формула Единства» / «Третье тысячелетие». Начиная с 2013–2014 учебного года, олимпиада проводится для школьников 5–11 классов.
В олимпиаде ежегодно участвуют около 5000 школьников из полутора десятков стран. Осенью проходит первый (заочный) тур, официально называемый отборочным этапом; его участники могут решать задачи в течение 3–4 недель. Авторы лучших работ участвуют во втором, очном, туре (официально — заключительном этапе), который проводится в январе-феврале. Для проведения очного тура выбирается по одной школе в большинстве регионов России (а иногда и несколько школ в одном регионе) и в ряде других стран. Таким образом, очный тур одновременно проходит на нескольких десятках площадок. Оба тура проводятся в письменном виде. По традиции, общей для многих математических олимпиад, полное решение каждой задачи оценивается в 7 баллов.
Начиная с 2014–2015 учебного года, олимпиада входит в Перечень олимпиад Российского совета олимпиад школьников (РСОШ). Это дает возможность победителям и призерам олимпиады поступать в российские вузы на льготных условиях.