Η θεμελίωση του κτηρίου του Αρχαιολογικού Μουσείου Πυθαγορείου έγινε τον Μάρτιο του 2003. Στις 14 Ιουλίου 2005 ένα σύγχρονο κτίριο παραδόθηκε στην τότε ΚΑ΄ Εφορεία Προϊστορικών και Κλασικών Αρχαιοτήτων για να οργανώσει την έκθεση, σύμφωνα με την εγκεκριμένη Μουσειολογική Μελέτη. Οι εργασίες για την έκθεση των αντικειμένων άρχισαν στις 10 Οκτωβρίου 2005, ολοκληρώθηκαν στις 30 Ιουνίου 2009 και το Μουσείο άνοιξε για το κοινό. Τα επίσημα εγκαίνια έγιναν στις 17 Μαΐου 2010.

Το έργο συγχρηματοδοτήθηκε από κοινοτικούς (Γ΄ Κοινοτικό Πλαίσιο Στήριξης) και εθνικούς πόρους. Συνολικά δαπανήθηκαν 5.454.145,27 € για το κτίριο και 2.002.127,57 € για την έκθεση. Είναι ένα Μουσείο, που ανταποκρίνεται στις σύγχρονες μουσειολογικές ανάγκες και αντιλήψεις, εμβαδού 2.500 τ.μ., από τα οποία τα 1.500 τ.μ. αποτελούν τους εκθεσιακούς χώρους και τα υπόλοιπα 1000 τ.μ. είναι χώροι εξυπηρέτησης κοινού, εργαστήρια συντήρησης, αποθήκες και γραφεία.

Σημαντικό πλεονέκτημα του Αρχαιολογικού Μουσείου Πυθαγορείου είναι η χωροθέτησή του πλάι σε έναν πολύ σημαντικό αρχαιολογικό χώρο, στο κέντρο της αρχαίας πόλης της Σάμου, αλλά και της σύγχρονης πόλης του Πυθαγορείου. Τα κτήρια που έχουν ανασκαφεί δίνουν μια σαφή εικόνα μιας συνοικίας της αρχαίας πόλης και της εξέλιξής της. Με χρηματοδότηση, στο πλαίσιο του ΕΣΠΑ 2007-2013 (Ε.Π. Κρήτης & Νήσων Αιγαίου), 779.463,57 € έγιναν εκτεταμένες εργασίες συντήρησης, στερέωσης και διαμόρφωσης, έτσι ώστε ο χώρος είναι ανοικτός στους επισκέπτες.