1940년 5월 18일 장석우(張錫佑)에 의해 4년제 8학급의 소화고등여학교로 개교하였다. 1945년 9월 30일 천주교 서울대교구(교구장 노기남)에 인수되어 인천박문여자중고등학교로 교명을 변경하고 초대 교장에 한공렬(韓公烈)이 취임하였다. 1947년 6년제 인천박문여자중학교로 개편하고 12학급을 설치하였다.
1951년 8월 「교육법」 개정에 따라 인천박문여자고등학교와 인천박문여자중학교로 개편되었으며, 1956년 8월 인천광역시 동구 송림동 현재의 위치로 교사를 신축하여 이전하였다.
1964년 3월 인천교구천주교회유지재단으로부터 학교법인 인천가톨릭교육재단이 분리, 인가되어 이후 학교를 운영하다가 1975년 9월 노틀담수녀회에게 학교 운영권이 이관되었다. 1969년 보통과·상과를 설치하였다가 1973년 상과를 폐지하고 보통과 21학급으로 편성하였고, 1980년 30학급으로 증설하였다.
2014년 3월 인천박문여자고등학교에서 박문여자고등학교로 교명을 변경하였다. 2015년 3월에는 송림동 교사에서 현재의 위치인 송도동 교사로 이전하였다.
교훈은 ‘진·선·미’이고, 슬기롭고 따뜻한 글로벌 인재 육성을 교육목표로 하고 있다. 기도와 명상의 시간, 1교 1덕목 운동, 생명의 숲 운동을 통한 환경운동, 국어인증제 등을 통한 독서논술 교육, 지식정보화 교육, 성폭력 예방 프로그램을 활용한 체계적인 성교육 등을 교육중점으로 시행하고 있다.
새마을 유공학교로 문교부장관상, 학교체육교육 우수학교와 사회정화 유공학교 등으로 체육부장관 표창을 수상하였고, 체조부와 사격부가 여러 차례에 걸쳐 전국대회에서 우승하였다. 현재 사진반·만화반·도서반 등의 동아리를 중심으로 계발활동이 이루어지고 있다.
2016년 현재 30학급에 총 724명의 학생이 재학하고 있다. 교직원은 62명이 재직하고 있고, 64회 졸업식을 거치면서 총 2만 950명의 졸업생을 배출하였다.