Il museo archeologico senese prende forma nel 1933 come Antiquarium. La sua prima organizzazione è dovuta ad un grande studioso senese, Ranuccio Bianchi Bandinelli che, mosso da passione e sensibilità non comuni, fin dal 1927, quando era direttore del Museo Numismatico dell'Accademia dei Fisiocritici, aveva richiamato l'attenzione sulla necessità impellente di raccogliere insieme i materiali archeologici del senese. Già nella seconda metà del Settecento, infatti, in una temperie che favoriva soprattutto l'antiquaria, attraverso donazioni di eruditi e nobili senesi si erano costituiti presso la Pubblica Libraria e presso l'Accademia dei Fisiocritici (fondata nel 1691) alcuni nuclei di antichità, in massima parte monete, bronzetti e sigilli, arricchiti nel corso dell'Ottocento da ulteriori lasciti e dai materiali rinvenuti in città, come nel caso della realizzazione della via Campansi.
Quando Bianchi Bandinelli fu incaricato dell'organizzazione del nascente museo archeologico, questo poteva contare su alcune importanti raccolte, con materiali per la maggior parte provenienti dai territori senese e chiusino, ma non solo. Oltre ai menzionati nuclei della Raccolta Comunale e dell'Accademia dei Fisiocritici, infatti, confluirono nel nuovo museo senese la collezione Mieli, donata al Comune di Siena nel 1882 dal cavalier Leone Mieli e costituita dal materiale raccolto dallo stesso Mieli nei suoi possedimenti nei dintorni di Pienza, in vaste aree interessate da necropoli ma anche da insediamenti etruschi e da depositi votivi e la collezione Bargagli Petrucci di Sarteano, formata tra l'ultimo venticinquennio dell'Ottocento e i primi anni del Novecento, lasciata in eredità allo Stato nel 1918 dal marchese Piero Bargagli Petrucci, costituita per la maggior parte da ritrovamenti fortuiti, ma anche dai materiali di scavi condotti nelle proprietà di famiglia sia nei pressi di Sarteano che di Casole d'Elsa. Il museo divenne nel 1941 Regio Museo Archeologico e continuò anche negli anni successivi a vedere incrementato il patrimonio in esso conservato: negli anni 1951-52, infatti, entrarono a far parte del museo due altre importanti raccolte, la Chigi Zondadari e la Bonci Casuccini.
La prima fu costituita fra l'ultimo quarto dell'Ottocento e gli inizi del Novecento dal marchese Bonaventura Chigi Zondadari, personalità attenta al recupero documentato delle antichità e al problema della dispersione del patrimonio archeologico: la collezione comprendeva materiale dal territorio, ma anche oggetti acquistati sul mercato antiquario, soprattutto romano e alla fine dell'Ottocento era una delle più importanti raccolte private. Alla morte del figlio del marchese, le sculture in marmo della collezione furono divise tra gli eredi, molti vasi, soprattutto greci, andarono dispersi sul mercato antiquario, mentre tutti gli altri materiali, donati allo Stato, passarono al Museo senese. La collezione Bonci Casuccini, formata agli inizi del Novecento da Emilio Bonci Casuccini, comprendeva i materiali in larga parte provenienti dal territorio chiusino raccolti nella villa della Marcianella, ceduti nel 1952 allo Stato e trasferiti a Siena.
Nel corso degli anni il Museo si è arricchito per il materiale, soprattutto da contesti funerari, recuperato nel corso di campagne di scavo condotte dalla Soprintendenza Archeologica della Toscana nel territorio senese. Esso viene così ad essere oggi articolato in due sezioni, la sezione topografica, che illustra gli aspetti salienti dell'archeologia del territorio senese, con particolare riguardo ai rinvenimenti nel tessuto cittadino, nel suo interland più prossimo, nel Chianti, nell'alta Val d'Elsa e a Murlo, da cui provengono tre lastre in terracotta che decoravano la cosiddetta seconda Regia e l'Antiquarium che comprende appunto le varie collezioni private (Bonci Casuccini, Bargagli Petrucci, Chigi Zondadari, Mieli, Accademia dei Fisiocritici e Raccolta Comunale). Le raccolte, così articolate, riassumono in sé la memoria storica della nostra cultura archeologica, offrendo un panorama complesso dello sviluppo del territorio senese. Questa memoria è conservata dagli stessi edifici che nel tempo hanno ospitato il materiale, dalle sale del Palazzo Pubblico alla sede della Sapienza, dove il nucleo è rimasto fino al 1988, ai suggestivi locali del Santa Maria della Scala, fino agli ambienti del chiasso di Sant'Ansano appositamente recuperati all'interno del medesimo complesso.