1887년 6월 여의사이자 미국 북장로교 선교사인 엘러스(A. J. Ellers)가 여성계몽을 목적으로 서울 중구 정동에 있던 제중원 사택에서 정동여학당(貞洞女學堂)으로 설립하였다. 초대 학당장에 엘러스가 취임하였으며, 성경과 산술 두 과목을 가르쳤다.
처음에는 5세 여아 1명으로 시작하여 5년 동안 52명의 학생을 가르쳤으며, 한국 전통의 생활관습과 예절을 존중하여 하루 10여 차례 공손히 꿇어앉아 평절로 인사하는 것을 규범으로 삼았다. 1895년서울 종로구 연지동으로 교사를 이전하면서 사립 연동여학교(蓮洞女學校)로 교명을 변경하였다. 이때의 총 학생 수는 10명이었고, 10월 20일 첫 수업을 시작하면서 이 날을 개교기념일로 정하였다.
당시 교과목은 성경·한문·역사·지리·산술·도화·습자·체조·음악·가사·침공·위생 등이었다. 수업연한은 일정하게 정해져 있지 않았고, 소학교 과정을 마친 뒤 여학교 과정에 누진시켜 졸업하게 되어 있었다. 학교 옆의 연동교회에서 매일 예배를 보았으며, 일요일의 합동 예배 때에는 전교생이 쓰개치마를 쓰고 구리개교회(명동에 위치)까지 걸어가는 모습이 장안의 화제가 되기도 하였다.
1907년 제1회 졸업생 11명을 배출하였고, 1909년정신여학교로 정식인가 되었다.
1912년 사범과와 보수과를 설치하였다가 1915년 폐지하였다. 1911년에 학제개정으로 중등교육기관이 여자고등보통학교로 개편되었으나, 일제 학무국이 정신여학교를 여자고등보통학교로 인가 해주지 않고 탄압하였으므로 동문(同門) 등에서 구명운동을 벌인 끝에 1928년 지정학교로 지정받아 선교부에서 학교의 운영을 맡게 되었다.
당시 지하조직을 통하여 3·1운동을 전개하였던 애국부인회 회장에 정신여학교 4회 졸업생인 김마리아가 선출되고, 그 본부가 정신여학교에 설치되자 일제의 탄압은 극에 달하였다.
1939년 국어말살정책과 신사참배에 대한 거부로 교장이 해직되고 재단법인은 해체되어 이후 친일 한인에게 경영권이 형식적으로 승계되었다가 1945년 3월풍문학원(豊文學園)에 합병되면서 정신여학교는 교지와 교사, 200여 명의 학생과 15명의 교직원을 모두 잃고 폐교되었다.
광복 후 1947년 5월 동문 김필례(金弼禮)를 교장으로 추대하여 복교하였고, 「교육법」 개정에 따라 1951년 6월 정신여자고등학교와 정신여자중학교로 개편되었다. 1978년 12월서울시 송파구 잠실동 현재의 위치에 교사를 신축하여 이전하였다. 1987년 개교 100주년을 맞아 정신 100년 기념탑과 엘러스 동상을 건립하였다.
교명인 ‘정신(貞信)’은 여성에게 있어서 곧은 정절과 하느님을 믿는 굳은 신앙이 무엇보다도 귀하고 높은 이념이라는 신조에서 지어진 것이다. 설립 당시의 교훈인 ‘하느님을 믿자, 바르게 살자, 이웃을 사랑하자’를 근간으로 1947년 ‘굳건한 믿음, 고결한 인격, 희생적 봉사’로 교훈을 개정하여 경천애인(敬天愛人)의 슬기롭고 창조적인 여성을 육성하는 데 주력하고 있다.
일제강점기 학생운동으로 1919년 1월 고종 국상 때 복상으로 항거하였고, 1926년에는 6·10만세운동에 적극 참여하면서 30여 명의 희생자가 발생하였다. 또한 1919년 3·1운동 때 여성애국지사들을 집결시키는 데 중추적 역할을 했던 애국부인회가 교내에 조직되면서 전교생의 항일정신이 고양될 수 있었다.
현재 교내 대표적인 동아리로 1910년 합창단으로 창단되어 1969년부터 이름을 바꾸어 활동하고 있는 노래선교단은 5월달부터 서울 부근의 각 기관이나 교회에서의 연주를 시작으로 전국을 순회하며 고등학교, 군부대, 교도소, 지역교회에서 연주를 통한 봉사활동을 하고 있다.
1922년부터 정구부·농구부·탁구부·배구부를 창단하여 유능한 선수들을 다수 배출하였고, 1979년 이후에는 핸드볼부·수영부·골프부·쇼트트랙부를 육성하였는데 현재는 핸드볼부와 수영부가 활동하고 있다. 특히 핸드볼부는 2004년, 2008년 문화관광부장관기 전국중고핸드볼대회에서 우승에 올랐다.
연례 학예행사로 교사합창대회, 방송제, 추수감사제, 찬송가경연대회, 체육대회, 바자회, 예랑제 등이 있다. 1931년부터 문예지 『정신(貞信)』을 발행하고 있고, 1989년『정신 100년사』를 간행한 데 이어 2007년에는 화보집 『정절과 신앙의 정신 120년』, 2009년『애니 앨러스』를 출간하였다.
2009년 현재 44학급에 총 1,780명의 학생이 재학하고 있고, 교직원은 95명이 재직하고 있다.