1954년 10월 1일 국립국악원 부설 국악사 양성소로 설립인가를 받아 1955년 4월 1일 정식 개교하였다. 교육목표는 민족 음악의 계승과 발전에 기여할 수 있는 유능한 국악인 양성이며, 교훈은 ‘신념·정진·봉사’이다.
우리의 전통음악을 계승하고 발전시켜 나아갈 유능한 국악인 양성을 위하여 설립되었다.
조선시대의 아악서 및 장악원, 1917년 이후의 이왕직아악생양성소의 맥을 잇는 교육기관임을 내세우고 있다.
초대 소장에는 이주환이 취임하였으며, 중·고 각 3년, 총 6년 과정에 학년당 정원은 남학생만 30명이었다. 1962년부터는 학년당 정원이 남학생 40명, 여학생 20명 도합 60명으로 배가되었다가 현재 남녀 구분 없이 450명이다. 개소 당시 교사의 위치는 서울 종로구 당주동의 옛 봉상시(奉常寺) 자리였다가 운니동으로 옮겼으며, 1967년 12월에 중구 장충동으로 이전하였다가 1992년 2월강남구 개포동 현 위치에 새 교사를 준공하고 이전하였다. 1961년에는 소관 업무가 문교부에서 공보부로 이관되었다가, 현재는 문화관광체육부에서 재정지원을 받고, 행정업무는 교육과학기술부에서 담당하고 있다.
1972년 2월에 12회로 국악사 양성소의 마지막 졸업식을 가졌고, 1972년 7월 국악고등학교로 교명이 변경되었으며 초대 교장에 성경린이 취임하면서 중학교 과정이 폐지되었다가 1991년 3월 4일 각종학교인 국악학교로 개교하여 국악의 조기 교육 실현에 한발 앞서게 되었다.
교육과정은 일반 고등학교에 준하는 일반 교과에 전공실기·국악이론·양악이론·교양성악·교양기악·속요·합주·반주법 등이 추가되고, 전공은 가야금·거문고·대금·피리·해금·아쟁·타악·정가·판소리·민요·국악이론·국악작곡·한국무용 등 13 과목으로 편성되어 있다.
주요 학생활동으로는 매년 봄에 개최하는 국악제인 「우리가락」과 무용제로 우리춤을 공연하는 목멱예술제(木覓藝術祭)를 개최하고 있다.
대외활동으로는 청소년예술제 참가, 재외 교포 학생을 위한 연주, 석전제(釋奠祭)와 종묘대제(宗廟大祭)의 일무(佾舞)에 출연, 초·중등 학생을 위한 전통 음악 교실 및 순회 연주, 각종 방송 출연, 자매부대 위문 공연, 초·중등 교사를 위한 전통 음악 연수 등을 하고 있다. 1986년 8월 50명의 연주단이 일본 공연을 가졌고, 같은 해 11월에는 교사들로 구성된 목멱악회(木覓樂會)가 창단되어 국립극장에서 창단 연주를 하였다.
1985년 10월 정부로부터 제4회 세종문화상(교육 부문)을 수상하였으며, 1992년 6월에는 특수목적고등학교로 지정되었다. 1998년 2월에는 1997년도 서울시 고등학교 평가 최우수학교로 선정되었고, 1998년 3월에는 교육부 지정 예술계 고등학교 자율학교 시범운영학교로 지정된 바 있다. 2001년 1월에는 을 하였고, 2004년 11월에는 국악정보교육관을 개관하였으며, 2005년에는 개교 50주년 기념 대공연에 이어 하였다. 2009년 8월에는 전국 남녀초·중학교 학생 무용경연대회를 개최하였다.
2007년 9월 강덕원 교장이 부임하여 학사를 관리하고 있으며, 2009년 현재 재학생은 448명(남학생 75, 여학생 373), 교직원은 57명(교원 41)이며, 졸업생은 4,084명이다.
1991년부터는 고등학교 2학년 학생들로 구성된 해외 문화 탐방을 시행하고 있으며, 1998년 5월 중국 북경에 있는 중국음악학원 부속 중등음악전과학교와 재매결연을 맺고 매년 한·중교류음악회를 개최하여 양국의 예술을 교류하고 있다.