1909 m. rudenį Velžyje duris atvėrė pradinė mokykla.
Šiandien tas pirmasis mokyklos pastatas yra netoli senojo Vilniaus plento, prie įvažiavimo į gyvenvietę. Pradinė mokykla pradėjo veikti sustiprėjusios nacionalinės priespaudos metais. Pirmasis jos mokytojas N. Krasnozanovas griežtai reikalavo, kad mokykloje būtų kalbama tik rusiškai. Daugiau žinių apie mokyklą rasta nuo 1920 m. Tais metais Panevėžio apskrities mokyklų inspektorius M.Grigonis į keturklasę paskyrė dirbti S. Janauską.
Joje mokėsi apie 80 mokinių ne tik iš Velžio, bet ir iš Keravos, Staniūnų, Kirkūnų, Velykių kaimų. Mokytojo S.Janausko iniciatyva buvo suburtas jaunimo dramos būrelis. Ypač didelį pasisekimą turėjo Keturakio komedija „Amerika pirtyje". Vaidinama buvo daržinėje. Į spektaklius buvo pardavinėjami bilietai po 50 ir po 25 centus, žiūrint, kokios vietos – stovimos ar sėdimos. Už gautus pinigus būrelio nariai pirko knygų ir įsteigė viešąją biblioteką prie Velžio pradinės mokyklos. Stasio Janausko iniciatyva pradėtas leisti meninis-literatūrinis savaitinis laikraštis „Velžio balselis".
1982 m. pastatyta Velžio vidurinė 696 vietų mokykla. Pirmuosius mokslo metus pradėjo 9 klasės, susirinko 287 mokiniai ir 27 mokytojai. Nuo pat vidurinės mokyklos atidarymo jai vadovavo direktorė V. Sarcevičienė.
1985 m. išleista pirmoji laida, 11 abiturientų.
1986 m. mokyklos kompiuterizacijos pradžia.
1992 m. įvestas sustiprintas lietuvių kalbos mokymas.
1996 m. mokyklos komanda dalyvavo Šiaurės ir Baltijos šalių projekte "Ugdymo turinio ir pedagogų profesinės kultūros plėtotė".
1998–2000 m. mokykla dalyvavo profilinio ugdymo eksperimente (humanitarinis ir realinis profiliai).
2002 m. įvedamas ankstyvasis anglų kalbos mokymas.
2003 m. pradedamas vidaus auditas.
Iki 2004 m. Velžio vidurinę mokyklą baigė XX laidų, 350 abiturientų.
2005 m. mokykla tapo gimnazija.
2005 m. mokyklų tobulinimo išorės audito projektas.
2005 m. išleista pirmoji gimnazistų laida.
2005m gruodžio 1 d. gimnazijos direktoriumi paskirtas Rimtas Baltušis.
2006 m. atrinkta dalyvauti projekte "Besimokančių mokyklų tinklų kūrimas".
2006 m. pastatyta nauja moderni sporto salė.
2006 metais atnaujinta gimnazijos atributika.
2009 metais mokyklos Velžyje 100 metų jubiliejus, pastatytas mansardinis aukštas ir įrengti aštuoni modernūs kabinetai.
2011–2013 m. pastatytas ir įrengtas mansardinis aukštas.
2012 m. Velžio vidurinės mokyklos 30-metis.
2012 m. renovuoti sanitariniai mazgai.
2013 m. mokinių skaičius peržengė 500.
2014 m. gimnazija dalyvavo bandomąjame mokyklų vadovų atestacijos projekte.
2015 m. gimnazijos 10-mečio sukakties minėjimas.
2015 m. prie gimnazijos prijungta Katinų pagrindinė mokykla.
2015 m. renovuota aktų salė.