Το κτήριο κατασκευάστηκε το 1890, σε σχέδιο του αρχιτέκτονα Ιωάννη Μούση, με σκοπό να στεγαστούν και να εκτεθούν τα ευρήματα από τις εκτεταμένες ανασκαφές στο ελευσινιακό ιερό. Πρόκειται για ένα από τα παλαιότερα μουσεία στον ελλαδικό χώρο, ένα λιθόκτιστο, ισόγειο κτήριο που αποτελούνταν αρχικά από πέντε αίθουσες σε παρατακτική κάτοψη. Στις αρχές της δεκαετίας του 1930 προστέθηκε μία έκτη αίθουσα στο δυτικό τμήμα του και πραγματοποιήθηκε η πρώτη ανακατάταξη του εκθεσιακού του περιεχομένου.

Κατά τη διάρκεια του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου, τα πρώτης τάξεως αρχαία μεταφέρθηκαν στο Εθνικό Αρχαιολογικό Μουσείο, κάποια άλλα κρύφθηκαν σε μία αρχαία δεξαμενή στο λόφο και σε λάκκους που ανοίχτηκαν γύρω από το μουσείο, ενώ τα ογκώδη παρέμειναν στη θέση τους προστατευμένα με σάκους γεμισμένους με χώμα.

Μόλις το 1947 άρχισε η αποκατάσταση του και η επισκευή των φθορών από τον πόλεμο. Κατά το 1960 το μουσείο ανακαινίστηκε και εμπλουτίστηκε με νέα ευρήματα από τις ανασκαφές στο Ιερό και από τα νεκροταφεία της αρχαίας πόλης με σημαντικότερο το λεγόμενο Δυτικό Νεκροταφείο της Ελευσίνας. Κτηριακές επισκευές και εκθεσιακές αλλαγές μικρής κλίμακας πραγματοποιήθηκαν και μετά το μεγάλο σεισμό του 1999 στην Αθήνα.



Η Εφορεία Αρχαιοτήτων Δυτικής Αττικής ανέλαβε από την ίδρυσή της το 2018 το έργο της επανέκθεσης του Αρχαιολογικού Μουσείου Ελευσίνας.

Οι υφιστάμενες περιορισμένες χωρικές και κατά συνέπεια λειτουργικές δυνατότητες του κτηρίου, η πεπαλαιωμένη μουσειολογικά και μουσειογραφικά παρουσίαση των αρχαίων αντικειμένων, η ανακήρυξη της πόλης της Ελευσίνας σε Πολιτιστική Πρωτεύουσα της Ευρώπης για το 2021 αρχικά, που μετατέθηκε το 2023 λόγω της πανδημίας,αποτέλεσαν τους κύριους λόγοι που επέβαλαν τον επανασχεδιασμό της μόνιμης έκθεσης, σύμφωνα με τις σύγχρονες μουσειολογικές και μουσειογραφικές προσεγγίσεις. Οι βασικοί στόχοι ήταν το μουσείο να προσελκύσει νέες και διαφορετικές ομάδες επισκεπτών, να συνομιλήσει με την πόλη και φυσικά να συμβάλει στην ανάδειξη του ιδιαίτερα σημαντικού αρχαιολογικού χώρου.

Η επανέκθεση του Αρχαιολογικού Μουσείου Ελευσίνας ολοκληρώθηκε στις αρχές του 2023 και υλοποιήθηκε με πιστώσεις του Υπουργείου Πολιτισμού και ιδιωτική δωρεά ποσού 500.000,00 ευρώ του Ιδρύματος Παύλου και Αλεξάνδρας Κανελλοπούλου.