Как сообщили в пресс-службе мэрии, с 1915 года музей располагался в Доме науки и искусств. Там были представлены разные палеонтологические артефакты, археологические коллекции и другое. Во время гражданской войны учреждение забросили и разорили, однако затем его довольно быстро восстановили.
В 1925 году музей переместили в здание бывшей Преображенской церкви, где он и находился до 1942 года.
В дни Сталинградской битвы здание музея вновь разрушили, и многие коллекции уничтожились. В 1942-1944 годах сохранившуюся часть фонда эвакуировали в село Цветочное Сталинградской области, а после этого – в Урюпинск. С 1946 года музей работал в Камышине, а в 1954 году он вернулся в Сталинград.
В наши дни учреждение располагается в здании бывшего Волжско-Камского коммерческого банка, которое является памятником истории и архитектуры конца XIX – начала XX вв. Сейчас уникальная коллекция музея состоит более чем из 170 тыс. экспонатов.