Предпосылки для создания в Херсонесе музея возникли еще в 60-е годы XIX века, когда в ходе строительных работ по возведению Владимирского собора были собраны многочисленные находки. Предметы тогда отправлялись на хранение в музей Одесского общества истории и древностей, Государственный Эрмитаж и Государственный исторический музей. Так продолжалось до 1892 года, когда в Херсонесе наконец был создан собственный музей. Он действовал как склад древностей, и представлял собой пример «открытого хранения», когда фонды одновременно служат и экспозицией. Музей возглавил Карл Казимирович Косцюшко-Валюжинич, под руководством которого проводились и археологические раскопки древнего городища. Косцюшко-Валюжинич разместил предметы разных исторических эпох — античной и византийской, в двух разных комнатах — так оформились два основных экспозиционных отдела. 

В 1914 году, с началом Первой мировой войны, музей был закрыт, а его экспонаты отправлены в эвакуацию в Харьков. После событий революции 1917 г. и гражданской междоусобицы возвращение коллекций из эвакуации в прежние условия было недопустимым. Требовалось подобрать другие помещения для экспонирования коллекций из раскопок Херсонеса. После проведения ремонтных работ в здании бывшей трапезной Владимирского мужского монастыря это помещение было отведено для отдела античной истории. В основу новой экспозиции, созданной К.Э. Гриневичем, был положен принцип историзма; осмотр построен по одному экскурсионному маршруту, вдоль которого располагались витрины с памятниками в порядке их осмотра. Экспозиция открылась для посетителей 7 июня 1925 г. 

Однако археологические раскопки Херсонеса продолжались, и некоторые новые находки оказались настолько уникальными, что должны были занять центральное место в новой античной экспозиции. Назрела необходимость её обновить. Заведующий отделом античной истории В.П. Лисин разработал тематический план и концепцию новой экспозиции. К 1941 г. работы по оформлению обновленного зала были практически завершены, но мирную жизнь музея прервала война...

В 1941–1945 гг. музей был закрыт. Коллекции, архив и библиотека вывезены в эвакуацию в Свердловск. После освобождения Севастополя, через три месяца после возвращения из эвакуации, 23 февраля 1945 г. музей вновь принял посетителей. Здание бывшей трапезной в годы войны подверглось сильному разрушению, поэтому небольшая часть античной экспозиции расположилась на втором этаже главного корпуса. 

В 1951 г. завершился капитальный ремонт здания, и 5 октября 1952 г. в ознаменование 125-летнего юбилея раскопок Херсонеса была вновь открыта в прежнем помещении античная экспозиция, работу над которой проводили сотрудники музея – Ю. Ю. Марти и С. Ф. Стржелецкий. 

В 50–60-е годы XX в. сотрудники Херсонесского музея, преодолевая последствия военного времени, продолжали вести работы по археологическому исследованию Херсонеса и музейному строительству: проводились широкомасштабные раскопки на позднеантичном могильнике «Совхоз-10» в Инкерманской долине, не прекращались работы и в Херсонесе.  Именно тогда внутри крупнейшей оборонительной башни Херсонеса (башни Зенона) были обнаружены уникальные находки: многочисленные фрагменты надгробий эллинистического времени с полихромной росписью и стела с портретом юноши IV в. до н.э. После реэкспозиции в 1964–1968 годах Античная коллекция музея пополнилась новыми шедеврами античного искусства и находками из недавних раскопок. Тогда создатели применили новаторскую методику, поместив в музейный зал реконструкцию участка могильника «Совхоз-10» в процессе раскопок.

Однако археологические изыскания на городище и хоре Херсонеса продолжались, и со временем стало ясно, что Античная экспозиция снова нуждается в обновлении.  Различные варианты реэкспозиции были предложены в 80–90-х гг. прошлого столетия как сотрудниками Херсонеса, так и представителями ведущих научных учреждений страны. Эти проекты в силу ряда объективных причин осуществить не удалось. В 2005 г. зал Античной истории на долгих 12 лет был закрыт на капитальный ремонт. Столь длительный срок связан со сложностями финансирования строительных работ. Значительную помощь оказали меценаты, в том числе известный Фонд Левентиса (Кипр). В 2016 г. были выделены средства по Федеральной целевой программе «Социально-экономическое развитие Крыма и города федерального значения Севастополя до 2020 г.», что позволило наконец-то завершить ремонтные работы. Современная экспозиция истории античного Херсонеса, как и прежде, размещается в двух залах бывшей монастырской трапезной. За основу ее построения принят историко-тематический принцип показа.  Первый зал посвящен истории Херсонеса в античный период. Во втором зале отражены основные занятия и различные сферы деятельности древних херсонеситов: сельское хозяйство, рыбный промысел, ремесла, торговля.