Il Museo nasce nel 1870 per iniziativa di Luigi Torelli, ex Prefetto di Venezia, per salvare dalla dispersione il patrimonio artistico di Torcello e per raccogliervi i reperti trovati nelle isole adiacenti e nella vicina terraferma.

Nel 1872 il Museo fu donato alla Provincia di Venezia e affidato alla direzione di Nicolò Battaglini già collaboratore di Torelli. Gli subentrò Cesare Augusto Levi che proseguì la raccolta dei reperti locali e introdusse nel Museo oggetti della sua collezione personale. Nel 1887 acquistò e restaurò il Palazzo dell’Archivio sistemandovi le raccolte archeologiche in quello che chiamò il Museo dell’Estuario e che donò alla Provincia. Il 14 maggio 1889 ebbe luogo l’inaugurazione del Museo Provinciale.

Con la direzione di Luigi Conton (dal 1909), di Adolfo Callegari (fino al 1948) e di Giulia Fogolari (dal 1949) le collezioni furono riordinate più volte ed organizzate nelle due attuali sezioni: la medievale e moderna nel Palazzo del Consiglio e l’archeologica nel Palazzo dell’Archivio. In anni più recenti la Provincia di Venezia – oggi Città Metropolitana di Venezia – oltre al restauro dei due edifici ha curato la catalogazione e lo studio scientifico del patrimonio museale in collaborazione con il Ministero dei Beni Culturali, l’Università Ca’ Foscari e la Regione del Veneto.