Il museo si è formato attraverso una storia secolare, grazie alla fusione di collezioni d'arte di diversa origine e natura, frutto degli interessi culturali e artistici di collezionisti, eruditi ed artisti aretini e dell'attività delle maggiori istituzioni civili. La prima origine del museo si può far risalire alla fondazione nel 1823 del Museo della Fraternita dei Laici e alla istituzione nel 1868 della Pinacoteca Comunale. Le due raccolte si fusero nel 1891 in un unico museo ospitato nel Palazzo Barbolani di Montauto. 

Questo museo fu suddiviso nel 1935 dando vita da una parte al Museo Medievale e Moderno, con sede nel Palazzo Pretorio, dall'altra al Museo Archeologico. Il Museo Medievale e Moderno fu riaperto nel 1958 nell'attuale sede ed è divenuto statale nel 1972. Si tratta di uno dei più interessanti musei della Toscana per importanza delle opere conservate e per la varietà e ricchezza delle collezioni.