Το 1910 ο Δήμος Αλμυρού δώρισε στη Φιλάρχαιο Εταιρεία δύο οικόπεδα συνολικού εμβαδού 1.385 τ.μ. στη νοτιοανατολική πλευρά της πόλης για την ανέγερση του Μουσείου. Τα σχέδια εκπονήθηκαν από τον μηχανικό Αθ. Γεωργιάδη και την ίδια χρονιά ξεκίνησαν οι εργασίες ανέγερσης, οι οποίες σταμάτησαν στο διάστημα 1915-1923, με το ημιτελές οικοδόμημα να βρίσκεται σε κακή κατάσταση. Από το 1923 και έπειτα, η Φιλάρχαιος Εταιρεία η «Όθρυς» άρχισε να συγκεντρώνει χρήματα - κυρίως εισφορές Αλμυριωτών - για την αποπεράτωση του Μουσείου, η οποία συντελέστηκε το 1930.

Ο δεύτερος παγκόσμιος πόλεμος αλλά και οι δύο σεισμοί που έπληξαν την περιοχή το 1955 και το 1956, προξένησαν εκτεταμένες καταστροφές στο κτίριο. Για μία ακόμη φορά η «Όθρυς» αναλαμβάνει ενεργό δράση και με δικά της έξοδα προχωρεί στη γενική επισκευή του από το 1956 έως το 1958, με τη συμπαράσταση πολιτών, αλλά και του Δήμου Αλμυρού.

Το 1960 το Διοικητικό Συμβούλιο της Εταιρείας με προτροπή του τότε Εφόρου Αρχαιοτήτων Δημήτρη Ρ. Θεοχάρη αποφάσισε να παραχωρήσει το Μουσείο στο κράτος. Μετά την ενέργεια αυτή, το 1962 άρχισε η καταγραφή και συντήρηση των αρχαιοτήτων, που φυλάσσονταν στο κτίριο. Επειδή η προηγούμενη επισκευή του Μουσείου δεν θεωρήθηκε επαρκής, το 1965 ανατίθεται και εκτελείται η μελέτη της αντισεισμικής του στήριξης από τον αρχιτέκτονα Θόδωρο Ραφανίδη. Η επισκευή τελειώνει το 1969 και το Μουσείο αποκτά τη σημερινή του μορφή.

Το 1976 οργανώθηκε η πρώτη έκθεση, από τον έφορο Αρχαιοτήτων Γιώργο Χ. Χουρμουζιάδη. Είναι μια χρονιά-σταθμός για το Μουσείο, αφού από την ίδρυσή του λειτουργεί για πρώτη φορά ως επισκέψιμος εκθεσιακός χώρος. Οι αρχαιότητες παρουσιάστηκαν με πρωτότυπο τρόπο, όμως η έκθεση ήταν επισκέψιμη για τέσσερα μόλις χρόνια, εξαιτίας των σεισμών του 1980, που κατέστησαν το κτήριο ετοιμόρροπο. Οι αρχαιότητες και η βιβλιοθήκη μεταφέρθηκαν στο Αρχαιολογικό Μουσείο Βόλου.

Μετά από αυτό, τίθεται θέμα κατεδάφισης του κτιρίου, αλλά ο χαρακτηρισμός του το 1986 ως «ιστορικό διατηρητέο μνημείο» από την τότε Εφορεία Νεωτέρων Μνημείων Μαγνησίας (Υ.Α. ΥΠΠΟ/ΔΙΛΑΠ/Γ/1475/33411/7-8-1986 - ΦΕΚ 717/Β/23-10-1986), το διέσωσε.

Το 1987 το Υπουργείο Πολιτισμού αναθέτει την εκπόνηση της μελέτης της στατικής και αρχιτεκτονικής αποκατάστασης του κτιρίου του Μουσείου στο γραφείο της αρχιτέκτονος Ελένης Χαλκουτσάκη. Μετά το τέλος των αναστηλωτικών εργασιών το έτος 1996, ξεκινά η επίπονη προσπάθεια για την οργάνωση της σημερινής έκθεσης αρχαιοτήτων του Μουσείου, που ολοκληρώνεται το Μάιο του 1998. Από τότε το Μουσείο είναι ανοικτό για το κοινό.