市三女中的历史最早可以追溯到1881年由美国圣公会女牧师艾玛·琼斯（Emma Jones）建立的圣玛丽女中（St.Mary's Hall）。该校前身为1851年，创办于虹口文监师路和百老汇路口（今塘沽路和大名路口）圣公会救主堂（Episcopal Cathedral）后的文纪女塾，初办时仅招收出生基督徒家庭的女学生。1881年，圣公会接管了因资金问题而难以为继的吉列特女校（Gillette School），该校由美国女牧师伊莉莎·吉列特（Eliza Gillette）于1850年建立，为沪上首所女子学院。同年6月，文纪女塾和吉列特女校合并后后，改名为圣玛利女校。“圣玛丽”一名为上海圣约翰大学（St. John's College）创办者施约瑟（Samuel Isaac Joseph Schereschewsky 1831-1906）所提议的新校名。随后，圣玛利新校舍搬迁至梵王渡圣约翰大学后面，与大学仅一墙之隔；学校的学制则定为8年。由于当时圣约翰大学并未男女合校，圣玛丽女校的学生时常会受到圣约翰大学的男学生的不当影响。时任大学校长卜舫济（Francis Lister Hawks Pott 1864-1947）深感不安并希望能将女校迁至他处。由于资金问题，该提议一直被搁置。直至1923年，卜舫济在白利南路（公共租界在沪西的越界筑路，今长宁路1187号）修建了新校舍，圣玛丽女校才迁至此处并改名圣玛利女子中学。占地面积64000平方米。
由于学费昂贵，就读于圣玛丽女中的学生多为中上等家庭的女孩子，故圣玛丽女中被称为贵族教会女校。学校的特色学科为英文、家政和音乐舞蹈，培养出来的女学生大都谙熟社交礼仪、通晓英文，富于文学艺术的修养。自1881年建校至1951年解散之间，圣玛丽女中一直为沪上最顶尖的女子学校之一。
1882年，采用双语教学的中西书院（McTyeire School）于上海成立。书院原定招收男女兼收，最终却不收女学生。尔后，书院的成功促使监理会教士林乐知（Young John Allen,1836－1907）加紧创办一招收女学生的同类学校。1885年，林乐知与同属监理会的女传教士海淑德（Laura Haygood,1845-1900）合作，海淑德负责筹集25,000美元，在华举办女校。同年6月，监理会女布道会开会，海淑德在华办学的计划引起了巨大反响。
1952年，上海市教育局接管了圣玛丽女中和中西女中，把两校合并成为上海市第三女子中学。原圣玛利亚女中的校址办起了上海纺织专科学校。1999年，该校被并入东华大学，成为东华大学纺织学院长宁分校区。
过去的一个多世纪里，学校培养了一大批杰出的女性，有众多的科学家、医学专家、艺术家、实业家、社会活动家等。孙中山夫人，中华人民共和国荣誉主席宋庆龄、蒋介石夫人宋美龄、孔祥熙夫人宋霭龄、著名作家张爱玲、美国俄勒冈州副议长邓稚风、前中国科学技术部部长朱丽兰、中国科学院院士黄量、中国工程院院士陈亚珠、闻玉梅、艺术家顾圣婴、黄蜀芹、郑佩佩、汪明荃、沈殿霞等都毕业于该校。
