Портрет был исполнен вскоре после таких известных работ Крамского, как «Русалки» (1871) и «Христос в пустыне» (1872; обе – Третьяковская галерея).

Концепция работы отчасти навеяна портретом жены художника Николая Дмитриева-Оренбургского Натальи (1871, Русский музей). Тогда Крамской работал над картиной «Русалки» и создал его, чтобы наполнить достоверностью образы призрачных существ, в майскую ночь напоминающих меланхолических девушек-русалок. Грустное задумчивое лицо, распущенные волосы модели, подчеркивающие камерный характер образа и одновременно его имперсональность, стали основой композиции маленького портрета Дмитриевой-Оренбургской. К этой работе близка по мотивам и другая картина художника – «Сомнамбула» (1871, Третьяковская галерея).

Уже в период экспонирования «Русалок» на передвижной выставке Крамской написал этот портрет, имеющий более самостоятельный характер, чем предыдущий: он выбрал холст большего размера. Современники называли «Девушку с распущенной косой» этюдом, подразумевая, что автор писал портрет с живой натуры и не стремился к картинности общего впечатления. Диагональные линии распущенной косы вторят невидимой диагональной оси холста и рождают настроение тягостной предопределенности. Художник вглядывается в светящиеся волоски прядей, бровей и ресниц молодой женщины, любуясь ее цветущей красотой, но одновременно желая передать и душевный настрой модели. Печальный взгляд юной женщины устремлен вдаль. Она переживает некую драму. Состояние душевной боли, неразрешимого внутреннего конфликта привлекло Крамского именно теперь, вскоре после создания «Христа в пустыне», и обозначило его интерес к новым задачам портретного жанра.

Композиция полотна напоминает фотоснимок, так как имеет фрагментарный срез: в нее не вошла часть кресла с накинутой поверх него синей драпировкой. Используя опыт ретушера и художника в фотомастерской, Крамской продумал все детали портрета – нарядный подлокотник, мерцающее разными тонами платье. Однако ракурс изображения и свет, падающий на лицо и волосы модели, фокусируют внимание зрителя исключительно на ней самой. Звучные тициановские контрасты синих и гранатово-красных тканей с золотистым тоном кос модели становятся заметны лишь потом.

Портрет оставался в доме художника до его кончины и экспонировался впервые лишь на посмертной выставке работ Крамского. Уже в это время имя изображенной не было известно наследникам художника.