1942년 6월 수업연한 2년의 제천여자실과학교로 설립되었다. 설립 당시 35명의 여학생이 입학하였으며, 1944년 1월 제1회졸업생 29명을 배출하였다. 1945년 4월 제천여자농업학교로 개편되었다가 학제변경에 따라 1951년 8월 제천여자중학교와 3학급의 제천여자고등학교로 분리, 개편되었다.
1959년 12월 교사를 신축하고, 1962년 2학급을 증설하였으며, 1969년 본관교사, 1971년 별관교사를 신축하였다. 1972년 15학급, 1973년 24학급으로 증설되었다. 1976년 1월 병설로 있던 중학교가 분리되어 이전하였고, 1976년 30학급으로 증설되었다. 1987년 24학급으로 개편되었으며, 1994년 8월 27학급으로 증설·인가 받았다.
1997년 3월 현재 27학급에 재학생 1,231명, 교원 57명이고, 졸업생은 46회에 총 1만2893명을 배출하였다. 교육목표는 ‘애국효경·면학탐구·과학기술·근검절약·정서건강인’에 두고 있으며, 교훈은 ‘서로 돕고 힘모아 즐겁고 알차게 사는 사람’으로 설정하여 이의 실천에 힘쓰고 있다.
매년 체육대회와 미술전시회, 백합시화전, 가훈전시회, J·S·B방송제 등을 개최하고 있으며, 고유의 민속놀이인 사물놀이를 중점 개발중이다. 체육분야에서는 배구에서 활발한 활동을 하고 있으며, 정기적으로 양로원 방문과 경로잔치 등을 하고 있다. 1987년부터 어학실습실을 설치 운영하여, 1989년 충청북도 외국어(영어)연구학교로 지정되었다.