Η δημιουργία ενός μουσείου που θα στέγαζε ευρήματα των βυζαντινών χρόνων από όλο το Νομό Φθιώτιδας δρομολογήθηκε μετά την παραχώρηση από τον Δήμο Υπαταίων του κτιρίου του παλαιού οθωνικού στρατώνα στο Υπουργείο Πολιτισμού, για έναν τέτοιο σκοπό. Το κτίριο βρισκόταν σε ερειπιώδη κατάσταση και χρειάστηκε να ανακατασκευαστεί πλήρως το εσωτερικό του, έργο που ολοκληρώθηκε τη δεκαετία του 1990.

Η 7η Εφορεία Βυζαντινών Αρχαιοτήτων ανέλαβε το 1997, ως αρμόδια τότε για την περιοχή της Φθιώτιδας, την οργάνωση του Μουσείου, σε συνεργασία με το τμήμα Μουσείων της Διεύθυνσης Βυζαντινών και Μεταβυζαντινών Αρχαιοτήτων του ΥΠΠΟ. Η διαμόρφωση των χώρων του ισογείου ολοκληρώθηκε το 2004 με πιστώσεις του ΥΠΠΟ. Η έκθεση στον όροφο εντάχθηκε στο Γ' Κοινοτικό Πλαίσιο Στήριξης και υλοποιήθηκε από την 7η ΕΒΑ και τη νέα Διεύθυνση Μουσείων του ΥΠΠΟ.

To Moυσείο δέχτηκε για πρώτη φορά επισκέπτες τον Σεπτέμβριο του 2005, όταν με την ευκαιρία των Ευρωπαϊκών Ημερών Πολιτιστικής Κληρονομιάς άνοιξε η αίθουσα του ισογείου, με θεματικό άξονα μία παλαιοχριστιανική τράπεζα προσφορών. Η κανονική του λειτουργία άρχισε στις 4 Ιανουρίου 2007 και τα επίσημα εγκαίνια τελέστηκαν στις 18 Μαρτίου του ίδιου έτους.

Το κτίριο του Βυζαντινού Μουσείου Φθιώτιδας αποτελεί ένα σημαντικό μνημείο για την περιοχή, τόσο από αρχιτεκτονική όσο και από ιστορική άποψη. Κτίστηκε το 1836 ως στρατώνας του πεζικού, πιθανώτατα σε σχέδια τριών αξιωματικών του μηχανικού (Μανιτάκης, Πετμεζάς, Τριγγέτας). Πρόκειται για ένα ορθογώνιο στην κάτοψη, διώροφο κτίσμα, με συμμετρικά διατεταγμένα ανοίγματα. Στη νότια στενή πλευρά υπάρχει διπλή κλίμακα ανόδου στον όροφο, μπροστά από την οποία είχε κατασκευαστεί ένας κυκλικός αμυντικός πυργίσκος που δεν σώζεται πλέον. Η λιτή εμφάνιση των όψεων, με την επιμελημένη λιθοδομή από γκρίζο ασβστόλιθο και τους καλοπελεκημένους γωνιόλιθους, προσδίδει στο κτίσμα ιδιαίτερα αυστηρή εμφάνιση. Ως στρατώνας, το κτίριο συνδέθηκε με αιματηρές σελίδες της περιόδου της βασιλείας του Όθωνα. Μετά την προσάρτηση της Θεσσαλίας (1881), έχασε τη σημασία του ως στρατώνας και γνώρισε διάφορες χρήσεις, με τελευταία αυτήν του σχολείου, ως τα τέλη περίπου της δεκαετίας του 1960.