Η Αρχαιολογικής Συλλογή ιδρύθηκε το 1936 από το Φιλολογικό Σύλλογο Καστελίου. Το 1937 εκτέθηκε για πρώτη φορά σε δυο αίθουσες του ισογείου του κτιρίου του παλαιού Ενετοτουρκικού Διοικητηρίου που παραχωρήθηκαν για το σκοπό αυτό. Στο υπόλοιπο κτίριο στεγάσθηκαν κατά διαστήματα κυρίως Δημόσιες Υπηρεσίες, όπως Ειρηνοδικείο, Αγρονομείο, Υποθηκοφυλακείο, βιβλιοθήκη κ.α.

Το 2000, στο πλαίσιο του Β΄ΚΠΣ, ξεκίνησαν εργασίες αποκατάστασης του Διοικητηρίου Κισάμου και μετατροπής του σε Αρχαιολογικό Μουσείο Κισάμου. Το έργο της έκθεσης των αρχαιοτήτων στο νέο αυτό Μουσείο εντάχθηκε στο ΠΕΠ Κρήτης στο πλαίσιο του Γ΄ ΚΠΣ. Οι εργασίες ολοκληρώθηκαν και το Μουσείο ξεκίνησε τη λειτουργία του το Σεπτέμβριο του 2006.