1915년 3월 수업 연한 2년제인 마산실과 고등여학교가 설치 인가되었다. 1921년 4월에 4년제 마산고등여학교로 설립되었다. 학생정원은 200명이었으며, 일본인 자녀만을 대상으로 하다가 그 뒤 매년 10여명의 한국인 학생을 수용하였다.
이 학교의 전신은 1915년 3월 마산실과고등여자학교로 설립된 일본인 학교로서, 1921년에 고등여학교로 인가를 받게 된 것이다. 1926년 3월에는 학년당 2학급씩 총 8학급 400명으로 정원이 증가되었으며, 1927년 수업연한을 5년으로 연장하고 다시 10학급 500명으로 증가하였다.
1945년 3월에 수업연한을 4년으로 하고 12학급 600명으로 조정되었다가, 광복과 함께 같은해 10월에 재개교하였다. 1946년 9월 마산공립여자중학교로 개칭하고, 수업연한 6년에 18학급 900명으로 편성하였으며, 「교육법」 개정에 따라 1951년 8월 마산여자중학교와 분리되어 3년제 마산여자고등학교로 개편되었다.
1993년 1월 본관 건물을 개축 이전하였다. 2005년 3월에는 마산여고 역사관을 개관하였다.
2008년 현재 33학급에 재학생 1,936명, 교원 74명이며, 졸업생은 85회 총 2만 6천여명의 졸업생을 배출하였다.
교훈은 ‘원대한 이상을 세우라, 심오한 학리를 찾으라, 고매한 덕행을 닦으라’이며, 교육목표는 ‘학력향상을 토대로 창의성 신장, 자치활동 활성화를 통하여 민주시민 육성, 맞춤형 진로지도로 글로벌 인재 육성’이다.