L'établissement est construit sur des terrains appartenant à l'Etat ou acquis par ce dernier : l'ancien champ de manœuvres du fort de la Duchère sur la partie ouest, l'ancien domaine de la famille Vautier sur la partie est, acheté en 1948 à son dernier propriétaire Jacques Visseaux (AD Rhône, 3 P 138/319) en vue d'y construire l'école nationale professionnelle de jeunes filles. Le transfert à La Duchère d'une partie des élèves de l'école La Matinière des filles, à l'étroit dans ses locaux malgré l'extension du côté de la rue Terme réalisée en 1950 par l'architecte Michel Cuminal, est donc envisagé dès cette date. C'est d'ailleurs au même architecte (associé à l'architecte agréé par le ministère de la Reconstruction Edmond Olombel) qu'est confié le projet architectural du site de la Duchère, dont le permis de construire est déposé le 1er mars 1957 et les plans rectificatifs le 6 mai suivant. Le programme prévoit l'installation de bâtiments administratifs, d'un internat de 500 lits et d'un externat pouvant accueillir 750 élèves, ainsi qu'un gymnase et un bâtiment de logements pour le personnel. Le projet de cet établissement s'inscrit pleinement dans le programme d'aménagement urbain du plateau de la Duchère, voulu par Louis Pradel, conçu par les architectes François-Régis Cottin et Franck Grimal et officiellement lancé en 1958. Les travaux sont réalisés entre 1967 et 1968. Une sculpture réalisée par Georges Salendre au titre du 1% artistique orne le terre-plein central, dans l'axe de l'entrée. Le lycée est agrandi entre 1982 et 1988 par la construction de nouveaux bâtiments en contrebas des premiers. Un nouveau 1% artistique est alors réalisé dans le patio intérieur joignant les différents corps de bâtiment, en hommage au Major Martin, fondateur des écoles La Martinière par le peintre Michel Charpentier.