中西女中的前身是中西女塾，由美国基督教监理会创办于1892年，旧址设在今黄浦区汉口路西藏中路口。英文名称McTyeire
School得名于南方卫理公会的墨梯（Holland
McTyeire）主教。中西女塾的创办人是美国卫理会驻沪传教士林乐知，首任校长是海淑德(Laura
Haygood)。1917年，中西女塾因学生渐多，校舍不敷使用，便购买沪西忆定盘路（今江苏路）11号奚某的私人住宅经家花园89亩的土地，当时主要利用一幢四层住宅作教学用房，此四层住宅在1935年景莲堂落成后，一直使用到1938年才被拆除。1930年，学校改名为中西女中，取意培养亦中亦西的通才。太平洋战争后，该校于1943年曾被日寇强占，改作陆军医院，校舍被迫迁往海格路英国女子中学（今华山路中福会儿童艺术剧团）。1945年8月抗战胜利，学校迁回江苏路校舍。1950年底，美国教师全部离校回国，中西女中从此摆脱了美国教会的控制。1952年，中西女中和创办于1881年的圣玛利亚女中合并改为上海市第三女子中学。“文革”期间改名为“上海市第三中学”，兼收男女学生，1981年恢复女中建制，恢复“上海市第三女子中学”的校名。虽然几度并改，历经磨砺，然而学校的文化积淀日益深厚，历史底蕴渐趋丰裕。
前国家名誉主席宋庆龄及其同胞姐妹宋蔼龄、宋美龄都曾就读该校。中西女中培养了数以万计的符合国家建设和社会发展需要的女子人才，她们在各行各业作出了显著的成绩，其中杰出的代表人物有：教育家俞庆棠、外交家龚澎、中科院院士黄量、企业家荣漱仁、文学家张爱玲、艺术家顾圣婴等。
中西女中景莲堂现为市三女中五四楼，建于1935年，是基督教美国监理会利用在汉口路、西藏路原中西女塾旧址上出租给扬子公司建造扬子饭店的15万元租金建造的。建筑平面为倒“T”字形，四层钢筋混凝土结构，属哥特式美国学院风格。景莲堂由匈牙利建筑师邬达克（Ladislans
Edward Hudec）设计，主体部分立面为三层，尚有一层为顶层，立面简洁朴素，墙面为水泥砂浆仿石饰面，双坡硬山瓦屋顶，屋面开有中间三个、两边四个三坡老虎窗，由沿沟落水。两侧的教师办公用房系三层平顶建筑，女儿墙呈城堡式。建筑面积为4607平方米，北侧一层为砖木结构大礼堂，有1192个座位。景莲堂主入口设在南面正中，为两层楼高的平缓尖券门厅，内含叶状连券装饰，有三个彩色尖券玻璃窗，门厅内装有豪华吊灯。进门厅可直接进入一层大礼堂，礼堂内装有豪华吊灯，正前方为舞台，礼堂两侧均为尖券式彩色玻璃窗。门厅的东西两侧为走廊，教室分布在走廊的南北两侧，每间教室采光都很充足。
五一楼建于1922年，位于五四楼的东侧，建筑面积为8214平方米。当初这幢建筑是美国基督教南卫理公会的女教徒以及中西女中的师生募捐建造的宿舍楼，可容纳450名住宿生。这幢大楼呈马蹄形，南北对称，建筑风格和五四楼十分相似。底楼正中是小礼堂，当时被称为“海涵堂”。礼堂左右两边是走廊，分别通向宿舍区的楼梯。十根白色的水泥柱子牢牢地支撑着走廊的屋顶，柱子和柱子间形成的门洞和五四楼的门洞风格完全一致，是柔和优美的弧线托起的尖顶。四楼的22个老虎天窗也是尖顶红瓦。
在五一楼的南侧高高耸立着一座水塔。八角形的塔形建筑，是欧洲中世纪的一种特定型制，象一座要塞，厚重敦实的外观，由高塔、堡垒、城墙和狭长的小窗组成，这种形式在古代中世纪用于防守、瞭望和阻止敌人的进攻。水塔是中西女中的标志性建筑，它的建筑年代应和五一楼相同。
中西女中原有外籍教师住宿的小楼，建于1923年，解放后改作长宁区教工第一幼儿园。随着上海市出生人口的下降和市三女中办学规模的扩大，1997年幼儿园搬出，1998年小楼拆除，规划建新的教学大楼。校园最北面，大礼堂东面的围墙边原有实验楼的设备，规模已和现行教学要求不相符，也需要建一幢现代化的实验楼。这两幢新楼于1998年初动工，2000年7月落成，新楼的建筑风格和原有建筑保持一致，楼高五层，由上海城乡建筑设计院设计。南面的新楼被命名为“七一楼”，作为市三女子初级中学的教学楼；北面的新楼被命名为“科学楼”，一、二、三层分别为化学、物理、生物实验室，四楼为计算机教室、多媒体语音教室和多功能演播厅，五楼的一个大统间是图书资料室和电子阅览室，典型的哥特式的大尖顶，十分有气势。
原中西女中的西北面是中西二小，与中西女中在同一个校园里，解放后改名为江苏路第五小学。1999年江五小学搬离，校址回归市三女中，2000年在原江五小学的校址上建成市三女中大操场。
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