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旗山國小原為日治時期的蕃薯藔公學校。明治31年(1898)臺灣總督府發佈「臺灣公學校令」，規定8~14歲的孩童可就讀公學校，修業年限為4年，是為近代臺灣基礎教育制度的開端。同年10月1日蕃薯藔公學校正式創立，首任校長萬羽三次郎。
明治36年(1903)12月，公學校在蕃薯藔街內地人的訴請下兼收內地人子弟，是為內臺混合教學階段。明治39年(1906)5月臺灣總督府要求內臺子弟應分流教學，同年6月1日起蕃薯藔公學校內另設內地人子弟的教授所，實施內臺學童分開授課。明治42年(1909)4月另設蕃薯藔尋常高等小學校，但是，校舍仍暫以蕃薯藔公學校充用。大正元年(1912)6月，蕃薯寮尋常高等小學校的新校舍正式落成，隨即遷出，蕃薯藔公學校成為純然臺灣人子弟學校。
蕃薯藔公學校是當時旗山地區的核心學校，為了因應鄰近地區的教育需求，相繼於中埔(1903)、田寮(1906)、甲仙埔(1907)、六龜(1911)等地設立分校。大正8年(1919)1月臺灣總督府第一次頒佈臺灣教育令，公學校成為基礎教育的基調乃告確定，復以旗山市街和溪州庄人口快速增加，大正11年(1922)4月蕃薯藔公學校更名為「旗山第一公學校」並設置高等科；同時設立溪州分校，後於大正14年(1925)4月獨立設校，是為「旗山第二公學校」。昭和16年(1941)3月，臺灣總督府發佈第三次臺灣教育令，積極推動國民學校教育，旗山第一公學校更名為「旗山第一國民學校」。戰後，政府接收後更名為「旗山國民學校」，首任校長謝敬忠。民國57年(1968)8月因應實施九年國民義務教育體制，再度更名為「旗山國民小學」，迄今。
蕃薯藔公學校的校園，原本僅今日校門以東一隅，面積約僅今日的三分之一。後隨著學童人數日漸增加，校舍嚴重不足。大正5年(1916)間，校方在校園東北側新建校舍，是為今日北側連拱迴廊校舍興建的開端。更重要的是，大正6年(1917)原本駐守在學校南邊練兵場的軍隊撤離，市街道路規劃也開始變更，西中通(今文中路)的重要性大大降低，學校也因而取得西中通(含部分路段)以西的今日校地。大正10年(1921）間，學校的校地已經從0.775甲增加為1.7419甲，向西側幾近擴大二倍，大體就是今日的規模，而北側連拱迴廊校舍也逐年向西邊增建而為今日樣貌。昭和9年(1934)12月13日學校興建講堂(今大禮堂)動工，隔年(1935)6月23日完工，至此，日治時期的校園整體規劃大致完成，至今仍保存良好，此為旗山國小得以被指定為古蹟的重要原因。