La storia del Museo inizia nel 1870 quando luigi Torelli, Prefetto di Venezia, acquistò il Palazzo del Consiglio per farne il centro di raccolta degli oggetti di antichità trovati in Torcello, nelle isole adiacenti e nella vicina terraferma. Nel 1872 l’immobile fu donato dal Torelli alla Provincia di Venezia e fu così istituito il Museo Provinciale affidandone la direzione al ricercatore e studioso di antichità cav. Nicolò Battaglini. Nel 1887 gli subentrò Cesare Augusto Levi che proseguì nella raccolta di quanto di antico si trovava in loco e dintorni, e introdusse nel Museo oggetti della sua collezione raccolti in numerosi viaggi, specie a Roma. Nel 1887 acquistò il Palazzo dell’Archivio restaurandolo e facendovi sistemare le raccolte archeologiche dando così vita a quello che chiamò il Museo dell’Estuario, donando il tutto alla Provincia. Il 14 maggio ebbe luogo l’inaugurazione del Museo Provinciale.
Al Levi succedette nel 1909 Luigi Conton, scopritore di necropoli ad Adria, da dove probabilmente portò oggetti a Torcello. Fra il 1928 e il 1930 si provvide ad un riordino delle collezioni affidato a Adolfo Callegari, nuovo direttore fino al 1948. A lui si devono interventi di inventariazione, catalogazione e restauro e la pubblicazione, nel 1930, del catalogo Il Museo di Torcello. Nel 1949 la direzione fu affidata alla Prof.ssa Giulia Fogolari, che con l’ausilio del Dott. Guido Zattera, ha seguito il Museo sino al 1997. Nel 1974, a seguito di radicali restauri del Palazzo del Consiglio e del materiale in esso esposto, s’inaugurò la sezione medievale e moderna. Negli anni successivi si provvide al restauro del Palazzo dell’Archivio e a un nuovo allestimento che consentì di inaugurare, nell’estate del 1990, l’attuale sezione archeologica.