1913년 4월 1일 목천공립보통학교로 설립 인가를 받아 같은 해 6월 1일 2학급으로 개교하였다. 1934년 5월 4일 목천공립보통학교부설 도장간이학교를 설치하였다. 1939년 4월 1일 목천공립심상소학교로 개칭하였고, 1941년 4월 1일 목천공립국민학교로 교명을 바꾸었다. 1949년 1월 22일 목천공립국민학교 신계리분교장을 인가받았다. 1962년 10월 1일 덕전분교장을 덕전국민학교로 승격·분리하였다가, 1991년 3월 1일 목천국민학교에 다시 통폐합하였다. 1996년 3월 1일 목천초등학교로 교명을 개명하였다. 2003년 12월 15일 도서관 및 과학실을 개축하였다.
교훈은 ‘사랑과 꿈을 키우자’이고, 교화는 목련이며, 교목은 느티나무이다. 교표는 무궁화 꽃 내부에 ‘목천’이라는 글자가 새겨진 형태이다.
1975년 3월 1일 문교부지정 교육행정 연구기관 현지발표학교로, 1978년 10월 26일 충청남도지정 체육과 연구학교로, 1994년 3월 2일 농어촌형 급식학교로, 2001년 3월 1일 농·어촌 거점학교로, 2004년 3월 1일 천안 교육청 지정 효실천 연구학교로, 2005년 3월 1일과 2007년 3월 1일에는 천안교육청지정 학력신장 시범학교로 선정되었다.
2010년 현재 도움학급(특수학급)을 포함하여 11학급이 개설되어 있으며, 남학생 113명과 여학생 131명 총 244명이 재학 중이다. 병설유치원에는 1학급이 개설되어 남자 10명과 여자 10명 총 20명의 원생이 있다. 본교 교직원은 교원 17명과 행정직 9명을 포함하여 총 26명이 재직 중이다.