相傳先民來臺開拓時為求平安與心靈寄託，自大陸湄洲恭請媽祖聖尊至蕃薯寮(今旗山)，供奉於當時最早的主要廟宇福德祠旁。後因地方人士參拜聖蹟靈驗，於清嘉慶10年(公元1805年)間由臺灣縣知縣薛志亮(？-1813)、內門歲貢生游化(1752-1826)等率先捐款籌建，歷經12年的募款，清嘉慶22年(公元1817年)開始動工興建(見「奉憲嚴禁羅漢腳惡習碑記」)，清道光4年(公元1824年)興建完成，於廟內立有「興建天后宮碑誌」。
清道光24年 (公元1844年)因風雨侵襲，於是地方仕紳發起整建天后宮，並於同年動工整建，現存的廟貌主體，即是此次修建後所留遺留至今，廟內更立有「重興建天后宮碑誌」，記載此次整建的歷史過程。日昭和2年(公元1927年)當地仕紳陳啟雲(1876-1952)，借天后宮東廂成立悟真社，藉此教育宣傳本土語言文化，直至二次大戰結束，臺灣回歸後功能漸漸喪失而停辦。現廟程左側所遺留下的惜字亭，即時此時所建造，為當時文人雅士惜字的風俗文化，昭和16年(公元1941年)日本在臺推行皇命化政策，臺灣人的本土宗教信仰，受到嚴格的限制與規範，在此時旗山天后宮的諸多神像，被日人強制收走，於當時的練兵場(今運動場)將神像焚毀，這樣的政策大大破壞了天后宮內的神像保存，也影響了宗教信仰的發展。
民國35年 (公元1946年)天后宮再次整修，此次整修木材選用福州杉木，以海運運輸到屏東東港後，再運到旗山，並製作三川殿的龍虎堵泥塑與屋頂的剪黏，由此可見當地居民於光復後對天后宮修繕的重視，民國40年(公元1951年)旗山集樂平劇研究社分別借用天后宮東西廂做為南北管的練習場地，於每月農曆1日、15日會輪流在廟內天井演奏，是當時居民重要的娛樂盛事，直至民國59年(公元1970年)研究所搬離天后宮才停止，但南北管的演奏已經在當地居民心中留下永恆的回憶。
民國89年(公元2000年)原高雄縣政府指定為縣定古蹟，但因天后宮年久未修，廟內主體建築風化損害嚴重，相關單位於民國97年(公元2008年)開始整建工程，於整建其間並搭設臨時廟宇，供信眾參拜，整建一切以保存舊有文物不破壞的方式進行，直至民國100年(公元2011年)完成廟宇整建工程，也就是現今我們所見的旗山天后宮。
旗山天后宮是現存唯一1座仍保有清領時期主體建築的廟宇，對當地的信仰與發展史，有著不可抹滅的地位。天后宮為磚木混合構造二進式傳統建築，空間樑柱框架則以垂直疊組之斗及栱、頂住檁子的方式建造，稱為疊斗式。建築體的配置由前而後為牌樓、廟埕、三川殿、天井、正殿。三川至正殿為主要祭祀空間，三川殿兩側有左右天井及廂房，正殿兩側設有過水廊、左右後天井及左右耳房。廂房至左耳房現為廟祝生活空間，原左廂房係「悟真社」宣講堂，留存有「宣講聖諭」牌及「倉頡制字先師、大成至聖先師、五文昌帝君」神位，左耳房原為鳳吟聲南樂社的「曲館」。
廟中的木雕、石獅、剪黏和泥塑，均有其特色，為天后宮重要的文化資產。三川殿的正脊和垂脊沿著屋頂三面環開，處處是色彩豐富、造型熱鬧的剪黏和泥塑，以龍鳳、仙翁、山水、鳥獸與卷草為題。大木作的獅座疊斗、三爪瓜筒等傳統或創意的手法，雖非知名匠師所做卻令人驚喜。正殿神龕上端坐著微黑透著亮光的媽祖神像為軟身雕刻作品，同時殿中有1只石質展耳香爐，飾以淺浮雕之唐草紋，爐身正面為側身雲龍紋，爐口陰刻有「天上聖母」4字，從造形來看為標準的清晚期風格，可能是清道光4年(公元1824年)始建或清道光24年(公元1844年)重建時所置。另在廟埕前大榕樹下有另1只石香爐，從造形來看，具清代晚期風格。文物陳列室內陳列有多件清代遺留古供器，如青花百壽字款三足香爐、松鶴紋境主公鉎鐵圓爐、軟身媽祖大媽轎前使用之錫質五賽1組。
旗山天后宮內供奉著數尊媽祖神像，當中有1尊軟身媽祖神像，五尺八寸高，四肢關節可活動，方便穿衣，軟身神像實屬罕見。以及另一尊「湄洲媽祖」，是百年前鹿港人遷居到旗山，從鹿港家鄉所迎來。廟內存有諸多文物，清嘉慶22年 (公元1817年)的「奉憲嚴禁羅漢腳惡習碑記」鑲於左外牆上，從此碑可瞭解到當時被稱呼為「羅漢腳」的游民成群結黨，強行索錢、侵擾庄民，為害鄉里相關單位治理的歷史過程。另有道光4年(公元1824年)建廟完成時所立的「興建天后宮碑誌」，雖因年代久遠風化嚴重，碑文上字跡許多無法辨識，仍是天后宮發展的重要證明文物之一。正殿上方掛有清道光2年 (公元1822年)「坤德配天」匾額1塊，說明了天后建廟的初始。
旗山天后宮近年來舉辦各式不同的活動，藉由媽祖的信仰力量，凝聚群眾同樂，在農曆年節時，在廟前廣場舉行過七星平安橋及媽祖鑾駕「鑽轎腳」活動，吸引全國信眾慕名而來，更主辦「青年創業金擲筊比賽」，讓參拜的民眾除了祈求平安外，可透過擲筊比賽贏得創業基金，頭獎是100萬的創業基金，每年此時都會有來自各地年輕朋友參加比賽，希望藉由活動贏得獎金創業，民國103年(公元2014年)更舉辦旗山天后宮旗鼓相當報馬盃馬拉松賽，藉此活動發揚旗山天后宮媽祖文化，推廣全民做運動達到身心健康的目的，將宗教信仰的力量，透過不同的方式融入信眾的日常生活之中。
廟內立有「興建天后宮碑誌」，碑文上字跡許多無法辨識，仍是天后宮發展的重要證明文物之一。
正殿內供奉著數尊媽祖神像，當中有1尊軟身媽祖神像，相當罕見。以及另一尊「湄洲媽祖」，是百年前從鹿港所迎來。左右依照慣例立有千里眼與順風耳。