L'area archeologica di Fiesole si formò a partire dalla fine dell'Ottocento quando cominciarono a tornare alla luce i resti del teatro romano. Fu poi la volta delle grandi piscine dell'edificio termale e della sua parte interna con le vasche e gli ambienti riscaldati. Più recente la messa in luce del tempio etrusco - romano i cui primi scavi, dopo alcune scoperte fortuite, iniziarono nel primo decennio del Novecento e, per quanto in aree limitate, proseguono ancora oggi. L'insieme di questi edifici, notevolmente conservati e inseriti in un ambiente di grande bellezza, costituisce l'Area archeologica di Fiesole al cui interno si trova anche il Museo archeologico.

Le prime scoperte note nell’Area Archeologica cominciarono negli ultimi anni del ‘700 ma la messa in luce dei monumenti iniziò, di fatto, con il 1870 quando il marchese Strozzi dette il via allo scavo del Teatro romano.
Questo comportò la nascita del primo nucleo del Museo archeologico di Fiesole. Tra il 1890 e il 1891 si dette il via alla scoperta delle Terme e la fine del secolo vide anche l’inizio degli scavi del Tempio che proseguono in parte ancora oggi.
Il Museo è nella sede attuale dal 1914: prima di allora era situato nell'attuale Palazzo Comunale.