Музей 1920 жылы Шымкент педагогикалық музейі және Сырдария халық ағарту бөлімінің педагогикалық зертханасы ретінде жұмыс істей бастады. 1977 жылы арнайы салынған жаңа ғимаратта музей ұжымы табиғат және өлкетану экспозициясын құрды. Кеңейтілген тақырыптық және экспозициялық құрылым дамыды. 1984 жылы музей алғаш рет Алтынтөбе мекенінде өз күшімен қазу жұмыстарын жүргізді, ал 1988 жылы Жуантөбе көне қаласын зерттеу бастады. 

2014 жылы ҚР Президенті Нұрсұлтан Назарбаев Тарихи-өлкетану музейіне арнайы салынған жаңа, техниканың соңғы жетістігіне сәйкес ғимаратты салтанатты түрде ашты.  

Музейдің жалпы көлемі 2,5 мың шаршы метр. 4 залдан тұрады: “Табиғат, палеонтология, археология”, “Этнография”, “Қазақ хандығы және жаңа ғасыр”, “Тәуелсіз Қазақстан”. Музей және филиалдарының қорында 109 мыңнан астам экспонат бар. Жыл сайын музейге 100 мыңға жуық адам келеді. Тарихи-өлкетану музейі мәдени-сауық және ғылыми-зерттеу орталығы болып табылады.