그 전신은 1923년 3월 21일에 개교한 광주고등여학교이다. 현재의 광주중앙국민학교(당시 광주공립소학교)에서 개교하였으며, 1925년 4월에 현재의 위치로 신축, 이전하였다.
수업연한 4년에 각 학년 1학급씩 설치하였고, 학습과목은 수신ㆍ일어ㆍ영어ㆍ역사ㆍ지리ㆍ수학ㆍ이과ㆍ도화ㆍ가사ㆍ재봉ㆍ음악ㆍ체조ㆍ수예 등을 과하였다. 1937년 4월 광주대화공립고등여학교로 교명을 바꾸고 학년당 3개 학급으로 조정하였다.
광복 전까지 졸업생은 19회에 총 1,466명을 배출하였으나, 한국인 학생은 58명에 불과하였다. 광복과 함께 폐교되었다가 1946년 1월 28일 광주공립고등여학교로 재개교하였으며, 1946년 9월 광주공립여자중학교로, 1951년 9월 광주여자고등학교로 개칭하였다.
2010년 3월 1일광주광역시 서구 화정동으로 이전하였다.
지성적이며 덕성스러운 광주여고인 육성에 기본목표를 두고 있으며, ‘① 애국인, ② 봉사인, ③ 덕성인, ④ 미래인, ⑤ 건강인’의 교육목표 아래 교훈은 ‘여자다운 여자’이다.
학생활동으로는 양궁은 제63회전국체육대회에서의 금메달 3개를 비롯하여 제14회양궁선수권대회에서는 비공인 세계신기록을 수립하였고, 제3회아시안컵쟁탈 양궁대회에서 단체 1위, 1984년 로스앤젤레스에서 열린 올림픽대회에서 재학생 서향순의 금메달 획득 및 올림픽 신기록 수립 등으로 국위를 선양하였다. 그 밖에 하키는 전국체육대회를 포함한 춘계리그·종별대회에서 뛰어난 성적을 거두었다. 무용부는 전국 규모의 발표대회에서 두각을 나타내고 있다. 최근에는 동아리활동이 활성화되어 2008년에는 전국 학생과학탐구올림픽 과학동아리 전국대회에서 최우수상 수상하여 활력넘치는 과거의 전통을 잇고 있다.
2010년 3월 현재 28학급에 재학생 1,075명 교원 60명이며, 1946년 이후 졸업생은 59회에 총 3만 895명을 배출하였다.