相传先民来台开拓时为求平安与心灵寄托，自大陆湄洲恭请妈祖圣尊至蕃薯寮(今旗山)，供奉于当时最早的主要庙宇福德祠旁。后因地方人士参拜圣迹灵验，于清嘉庆10年(公元1805年)间由台湾县知县薛志亮(？-1813)、内门岁贡生游化(1752-1826)等率先捐款筹建，历经12年的募款，清嘉庆22年(公元1817年)开始动工兴建(见「奉宪严禁罗汉脚恶习碑记」)，清道光4年(公元1824年)兴建完成，于庙内立有「兴建天后宫碑志」。
清道光24年 (公元1844年)因风雨侵袭，于是地方仕绅发起整建天后宫，并于同年动工整建，现存的庙貌主体，即是此次修建后所留遗留至今，庙内更立有「重兴建天后宫碑志」，记载此次整建的历史过程。日昭和2年(公元1927年)当地仕绅陈启云(1876-1952)，借天后宫东厢成立悟真社，藉此教育宣传本土语言文化，直至二次大战结束，台湾回归后功能渐渐丧失而停办。现庙程左侧所遗留下的惜字亭，实时此时所建造，为当时文人雅士惜字的风俗文化，昭和16年(公元1941年)日本在台推行皇命化政策，台湾人的本土宗教信仰，受到严格的限制与规范，在此时旗山天后宫的诸多神像，被日人强制收走，于当时的练兵场(今运动场)将神像焚毁，这样的政策大大破坏了天后宫内的神像保存，也影响了宗教信仰的发展。
民国35年 (公元1946年)天后宫再次整修，此次整修木材选用福州杉木，以海运运输到屏东东港后，再运到旗山，并制作三川殿的龙虎堵泥塑与屋顶的剪黏，由此可见当地居民于光复后对天后宫修缮的重视，民国40年(公元1951年)旗山集乐平剧研究社分别借用天后宫东西厢做为南北管的练习场地，于每月农历1日、15日会轮流在庙内天井演奏，是当时居民重要的娱乐盛事，直至民国59年(公元1970年)研究所搬离天后宫才停止，但南北管的演奏已经在当地居民心中留下永恒的回忆。
民国89年(公元2000年)原高雄县政府指定为县定古迹，但因天后宫年久未修，庙内主体建筑风化损害严重，相关单位于民国97年(公元2008年)开始整建工程，于整建其间并搭设临时庙宇，供信众参拜，整建一切以保存旧有文物不破坏的方式进行，直至民国100年(公元2011年)完成庙宇整建工程，也就是现今我们所见的旗山天后宫。
旗山天后宫是现存唯一1座仍保有清领时期主体建筑的庙宇，对当地的信仰与发展史，有着不可抹灭的地位。天后宫为砖木混合构造二进式传统建筑，空间梁柱框架则以垂直迭组之斗及栱、顶住檩子的方式建造，称为迭斗式。建筑体的配置由前而后为牌楼、庙埕、三川殿、天井、正殿。三川至正殿为主要祭祀空间，三川殿两侧有左右天井及厢房，正殿两侧设有过水廊、左右后天井及左右耳房。厢房至左耳房现为庙祝生活空间，原左厢房系「悟真社」宣讲堂，留存有「宣讲圣谕」牌及「仓颉制字先师、大成至圣先师、五文昌帝君」神位，左耳房原为凤吟声南乐社的「曲馆」。
庙中的木雕、石狮、剪黏和泥塑，均有其特色，为天后宫重要的文化资产。三川殿的正脊和垂脊沿着屋顶三面环开，处处是色彩丰富、造型热闹的剪黏和泥塑，以龙凤、仙翁、山水、鸟兽与卷草为题。大木作的狮座迭斗、三爪瓜筒等传统或创意的手法，虽非知名匠师所做却令人惊喜。正殿神龛上端坐着微黑透着亮光的妈祖神像为软身雕刻作品，同时殿中有1只石质展耳香炉，饰以浅浮雕之唐草纹，炉身正面为侧身云龙纹，炉口阴刻有「天上圣母」4字，从造形来看为标准的清晚期风格，可能是清道光4年(公元1824年)始建或清道光24年(公元1844年)重建时所置。另在庙埕前大榕树下有另1只石香炉，从造形来看，具清代晚期风格。文物陈列室内陈列有多件清代遗留古供器，如青花百寿字款三足香炉、松鹤纹境主公鉎铁圆炉、软身妈祖大妈轿前使用之锡质五赛1组。
旗山天后宫内供奉着数尊妈祖神像，当中有1尊软身妈祖神像，五尺八寸高，四肢关节可活动，方便穿衣，软身神像实属罕见。以及另一尊「湄洲妈祖」，是百年前鹿港人迁居到旗山，从鹿港家乡所迎来。庙内存有诸多文物，清嘉庆22年 (公元1817年)的「奉宪严禁罗汉脚恶习碑记」镶于左外墙上，从此碑可了解到当时被称呼为「罗汉脚」的游民成群结党，强行索钱、侵扰庄民，为害乡里相关单位治理的历史过程。另有道光4年(公元1824年)建庙完成时所立的「兴建天后宫碑志」，虽因年代久远风化严重，碑文上字迹许多无法辨识，仍是天后宫发展的重要证明文物之一。正殿上方挂有清道光2年 (公元1822年)「坤德配天」匾额1块，说明了天后建庙的初始。
旗山天后宫近年来举办各式不同的活动，藉由妈祖的信仰力量，凝聚群众同乐，在农历年节时，在庙前广场举行过七星平安桥及妈祖銮驾「钻轿脚」活动，吸引全国信众慕名而来，更主办「青年创业金掷筊比赛」，让参拜的民众除了祈求平安外，可透过掷筊比赛赢得创业基金，头奖是100万的创业基金，每年此时都会有来自各地年轻朋友参加比赛，希望藉由活动赢得奖金创业，民国103年(公元2014年)更举办旗山天后宫旗鼓相当报马杯马拉松赛，藉此活动发扬旗山天后宫妈祖文化，推广全民做运动达到身心健康的目的，将宗教信仰的力量，透过不同的方式融入信众的日常生活之中。
庙内立有「兴建天后宫碑志」，碑文上字迹许多无法辨识，仍是天后宫发展的重要证明文物之一。
正殿内供奉着数尊妈祖神像，当中有1尊软身妈祖神像，相当罕见。以及另一尊「湄洲妈祖」，是百年前从鹿港所迎来。左右依照惯例立有千里眼与顺风耳。