1992年（平成4年）6月に「新しい時代に対応する高等学校調査研究会（会長　渡邉庄三郎　委員12名）」が発足し、新タイプの特色をもった高校新設の意見が集約されました。同年11月にには新しい時代に対応する高等学校調査研究会答申「新しい時代に対応する高等学校について」の中で単位制高校の設置が望ましいことが提言されました。
1993年（平成5年）11月に県教委事務局で新設高校の建設予定地が三木町平木地区と鹿伏地区にまたがる一帯とすることの方針が固まりました。
1994年（平成6年）3月、県教委事務局より新設高校設置の方針が出され、平成8年開校が示されました。そして同年11月用地造成工事が開始されました。

1995年（平成7年）4月、校名が香川県立三木高等学校と発表され、同時に教育内容等も発表されました。11月、初代校長は県立高校新設準備室課長・銭谷禎人氏が着任しました。
12月には平成8年度入学定員が発表されました。定時制の定員は40名で、現在まで変わっていません。
1996年（平成88年）3月12、13日入学者選抜学力検査・面接、さらに27日定時制別日程募集基礎学力検査・面接が行われました。

1996年（平成8年）4月に第１回入学式が行われ、定時制１期生の入学人数は29名でした。定時制初代教頭は堀井保男氏が着任し、専任教員は教頭と教科担当2名の3名のみであり、その他の教員は全て兼務教員でした。
1997年（平成9年）3月、南館が竣工しましたが、この竣工まで、定時制が111教室を、全日制は112～114教室を使用していました。
1999年（平成11年）3月、第1回卒業式が行われ、1期生が三修制で9名卒業しました。

2009年（平成21年）6月に香川県教育委員会は平成22年度公立高校入学選抜要綱を発表し、中途退学した生徒らに年度の途中にも早めに学習の機会を提供するため、次年度から県下で初めて定時制課程の秋季募集を本校で実施することになりました。
2010年（平成22年）9月、定時制秋季募集（定員10名）が実施され、10月に定時制秋季入学式が行われました。