Budynek szkoły mieści się w ścisłym centrum Wałcza, przy głównej ulicy Kilińszczaków, w sąsiedztwie Urzędu Miasta, Placu Wolności i Przychodni Rejonowej, gdzie znajdują się przystanki komunikacji miejskiej.

I Liceum Ogólnokształcące im. Kazimierza Wielkiego powołano do istnienia z zarządzenia króla Jana Kazimierza w 1065 r. jako Kolegium Jezuickie. W 1671 r. król Michał Korybut Wiśniowiecki przeznaczył grunty na budowę nowej szkoły na tzw. Górze Piekarskiej. W 1703 r. powstał tam obszerny drewniany budynek szkolny. Z tego też okresu pochodzi nazwa szkoły “Ateny Wałeckie” lub “Ateneum”.

W 1783 r. mienie skasowanego zakonu jezuickiego zostało przekazane Komisji Edukacji Narodowej. Podczas I rozbioru Polski Ziemia Nadnotecka została zagarnięta przez Prusy. Z mocy edyktu Fryderyka II w 1781 r. Kolegium Jezuickie przemianowano na Gimnazjum Królewskie. W 1798 r. przystąpiono do budowy nowego gmachu szkolnego, który zachował się do dziś. Drewnianą budowlę zastąpił budynek z palonej cegły. Znajdowało się w nim 12 pomieszczeń i kaplica. W kolejnych latach szkołę rozbudowywano; założono również obszerny przyszkolny ogród. W 1812 r., podczas kampanii napoleońskiej, w budynku gimnazjum wojska francuskie zorganizowały szpital polowy; budynek służył  także jako areszt dla 900 rosyjskich żołnierzy wziętych do niewoli. Ciekawostką jest, że w późniejszych latach okoliczna szlachta urządzała w salach szkolnych bale karnawałowe; gromadzono tam również sprzęt wojskowy. W latach 50 XIX w. (za czasów Bismarcka i Kulturkampfu) dyrektorem gimnazjum był Franciszek Peters. Z jego inicjatywy w 1872 r. w szkole powstała pierwsza sala gimnastyczna.

Na przełomie XIX/XX w.  przeprowadzano kolejne modernizacje głównego budynku: odnowiono fasadę, powiększono okna, dobudowano sygnaturkę na dachu; gruntownie  przebudowano aulę i nadano jej nowy neobarokowy wystrój. Ważną rolę w historii gimnazjum odegrał Polak - dyrektor Antoni Łowiński. W Wałeckim Gimnazjum dopiero od 1893 r. niemieckie władze oświatowe zezwoliły na naukę języka polskiego. Od tego też roku Johann Sturman był dyrektorem szkoły przez kolejne 31 lat.

W czasie II wojny światowej gimnazjum przekształcono na żeńskie. Uczęszczały do niego uczennice z miasta Wattenscheid (Zagłębie Rury-Niemcy), które było bombardowane przez aliantów. W tym samym czasie do budynku gimnazjum przeniesione zostało również Żeńskie Liceum Wałeckie z ul. Bydgoskiej.

Po II wojnie światowej jednym z najważniejszych przykładów repolonizacji Wałcza, po jego powrocie do Macierzy, było otwarcie, na początku lipca 1945 r., państwowego gimnazjum i liceum; od tego czasu szkoła funkcjonuje nieprzerwanie do dzisiaj.

Od 1978 r. w Liceum Ogólnokształcącym mieści się również Szkoła Mistrzostwa Sportowego. 

W I Liceum Ogólnokształcącym funkcjonują różne koła zainteresowań: koło języka angielskiego, koło języka niemieckiego, koło poetyckie, koło języka łacińskiego, koło redakcyjne gazetki szkolnej LUZIK, koło wokalno-muzyczne, koło wolontariatu, SKS drużyny piłki siatkowej dziewcząt i chłopców, drużyny piłki ręcznej dziewcząt i chłopców.

I LO im. Kazimierza Wielkiego współpracuje od wielu lat w ramach partnerstwa szkół z Europeische Gymnasium w Bad Essen. Tradycją I LO od 1993 roku jest organizowanie wymiany młodzieży naszej szkoły i uczniów z Bad Essen. Co dwa lata partnerzy spotykają się podczas wzajemnych wizyt. W roku szkolnym 2017/2018 obchodzono 25-lecie współpracy polsko-niemieckiej z Bad Essen. Nasze liceum organizuje również wyjazdy uczniów na tygodniowe językowe obozy edukacyjny EuroWeek.