Valmieras muzeja pirmsākumi rodami 1942. gadā, toreiz savākto kolekciju iznīcināja kara laikā. Lēmums par pašreizējā Valmieras muzeja dibināšanu pieņemts 1959. gada jūlijā. Valsts bankas pagrabstāvā tika iedalītas telpas muzeja darbībai (SEB Unibankas Valmieras filiāles ēka). 1961. gadā muzejs saņēma lietošanā 4 telpas Bruņinieku ielā 3. Līdz 1970.gadu sākumam, muzejs pakāpeniski pārņēma visu ēku un arī blakus esošo celtni- Bruņinieku ielā 3 b. Ēkas muzejam tika nodotas neatremontētā stāvoklī un remontdarbi korpusā 3 b nav veikti līdz pat šodienai- telpas tiek izmantotas kā noliktavas. 1961.gada 7.maijā atklāja pirmo pastāvīgo ekspozīciju muzejā, kas atspoguļoja atsevišķus laika posmus Valmieras vēsturē. Viena no pirmajām ekspozīcijām jaunajā muzejā stāstīja par tolaik jaunuzcelto un svarīgāko pilsētas rūpniecības uzņēmumu- Valmieras stikla šķiedras rūpnīcu.

70. gados, kad problemātisks kļuva jautājums par krājuma glabāšanu, muzejs ieguva vēl 2 nelielas ēkas pilsdrupu teritorijā- Bruņinieku ielā 4

No 1993. gada muzejam pakāpeniski nodeva arī telpas Bruņinieku ielā 1- Valmieras Vecās aptiekas ēku (vecākā koka ēka Valmierā) ar tai piebūvētajām 2 ēkām. Vecās aptiekas kompleksu restaurēja ar novadnieka mākslinieka R.V. Vītola atraitnes atvēlētajiem līdzekļiem un Klīvlendas ev. -lut. draudzes atbalstu.

No 1972. līdz 1991.gadam kā muzeja filiāle- koncertu un izstāžu zāle darbojās Valmieras sv. Sīmaņa baznīca.

2004. gadā Valmieras muzejam nodeva 20.gadsimta sākuma 3 stāvu dzīvojamo ēku Rātsupītes krastā, blakus muzeja izstāžu un ekspozīciju ēkai.

Muzeja darbības laikā izveidots daudzpusīgs muzeja krājums, ko lielā mērā veido muzeja darbinieku materiālu vākšanas ekspedīcijās iegūtās kultūrvēstures liecības. Ekspedīcijas tika rīkotas katru gadu no 1969. gada līdz 1999. gadam. Šo materiālu ievērojami papildina arheoloģiskā kolekcija, kas veidojusies rajonā veikto arheoloģisko izrakumu rezultātā. Muzejs saņēmis ievērojamus dāvinājumus – mākslas darbu kolekcijas no M. Alberingas, R. V.Vītola mantojumu, Jāņa Kalmītes darbus u.c.

80. gadu beigās un 90.gados muzejs aktivizēja savu komunikāciju ar jauniem pasākumiem: „Iepazīsim Valmieras ielas”, Saulgriežu atzīmēšanu, Simjūda gadatirgus, avīzi „Valmieras Muzeja Raksti”. Daudzus gadus muzeju raksturo sekmīga sadarbība ar laikrakstiem „Liesma” un “Tava izvēle”.