Valmieras muzeja sākotne meklējama 19. gadsimta 80. gados. Tolaik Valmieras Latviešu biedrības namā tika iekārtota vēstures istaba, kurā glabājās seni priekšmeti un arheoloģiskie atradumi. Savukārt jau neatkarīgās Latvijas laikā vietējās vēstures entuziasti nodibināja Tālavas senatnes pētīšanas biedrību, cerot Valmierā izveidot muzeju, kas būtu veltīts varenajai latgaļu zemei – Tālavai.
Padomju okupācijas varai likvidējot sabiedriskas organizācijas, 1940. gadā savu darbību izbeidza gan Valmieras Latviešu biedrība, gan Tālavas senatnes pētīšanas biedrība. Nacistiskās okupācijas laikā, pārmantojot un papildinot vēsturisko kolekciju materiālus, tika uzsākts darbs pie Valmieras muzeja izveides. 1943. gadā muzejs tika oficiāli atklāts. Tomēr gadu desmitiem vāktā kolekcija gāja bojā ugunsgrēkā 1944. gada septembrī.
Lēmums dibināt Valmieras muzeju tika pieņemts 1959. gadā. Tobrīd trūka pēctecības, kas muzeju saistītu ar agrāko laiku Valmieras vēstures pētniekiem un popularizētājiem. Bija nomainījušās paaudzes un politiskā situācija un no jauna nācās veidot muzeja krājumu. Tādēļ 1959. gads tiek uzskatīts par pašreizējā Valmieras muzeja dibināšanas gadu.
Pirmās telpas muzejam tika ierādītas Valsts bankas pagrabstāvā (tagadējā SEB bankas ēka, Rīgas ielā 40). Savukārt 1961. gadā muzeja rīcībā tika nodotas četras telpas ēkā Varoņu laukumā (tagadējā Valmieras muzeja ēka Bruņinieku ielā 3). Pakāpeniski muzeja krājuma, ekspozīcijas un darba telpām, kā arī mākslinieka noformētāja darbnīcai tika nodotas citas telpas Valmieras pils teritorijā.
Jau 1961. gadā tika atklāta muzeja pirmā pastāvīgā ekspozīcija, bet 1968. gadā tika izveidota ekspozīcija par Valmieras novada vēsturi līdz 20. gadsimtam. Turpmākajos gados muzejā tika veidotas gan pastāvīgās ekspozīcijas, gan tematiskās izstādes. Kā obligāta prasība padomju okupācijas gados bija izstādes, kas slavināja komunistisko ideoloģiju un dzīvi Padomju Savienībā. Līdz ar politiskajām pārmaiņām 1980. gadu beigās, muzeja izstādēs uzmanība tika pievērsta arī Valmieras vēsturei neatkarīgajā Latvijā.
Mūsdienās muzeja darbība tiek īstenota, savstarpēji sadarbojoties trim nodaļām – krājuma, vēstures un izstāžu un pasākumu nodaļai. Tādējādi muzejs spēj nodrošināt plašu vēstures un mākslas izstāžu piedāvājumu, izglītot skolēnus un uzturēt komunikāciju ar sabiedrību, kā arī veikt pētījumus un saglabāt vēsturiskus priekšmetus.