Одесский городской музей древностей был основан в 1825 году. С его развитием активно содействовало Одесское общество истории и древностей, созданное в 1839 году, которое имело право проводить археологические раскопки на юге Российской империи.
В разные периоды времени музею руководили выдающиеся личности, такие как Иван Павлович Бларамберг, который стоял у истоков музея, Эрнст Штерн, организовавший раскопки в Тире и на острове Березань, Михаил Болтенко, внесший значительный вклад в изучение жизни скотоводческих племен степей Украины в начале бронзового века, М. С. Синицин, который воспитал современное поколение одесских археологов, а также Иван Тихонович Черняков, который добился включения музея в систему Академии наук Украинской ССР в 1971 году. Кроме того, были сделаны значимые открытия, такие как «Золотая кладовая» (1970) и установка копии скульптурной группы «Лаокоон и его сыновья» у фасада здания в 1971 году, благодаря Г. А. Дзис-Райко.
Музей также славится тем, что в нем работали и продолжают работать выдающиеся ученые, в числе которых Пётр Осипович Карышковский, Анатолий Диомидович Бачинский, Исаак Бенционович Клейман, Э. И. Диамант, Сергей Борисович Охотников, Н. М. Секерская, Рима Дмитриевна Бондарь, Л. В. Субботин, Е. Ф. Редина и другие.
