ความเป็นมาของพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ พระปฐมเจดีย์ เริ่มต้นในปลายรัชสมัยพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว เมื่อคราวที่มีการย้ายเมืองนครชัยศรีจากตำบลท่านา มายังบริเวณพระปฐมเจดีย์ โดยสมเด็จพระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมพระยาดำรงราชานุภาพ เสนาบดีกระทรวงมหาดไทย มีพระดำริให้ทำการรวบรวมโบราณวัตถุในเมืองนครชัยศรี
โบราณวัตถุที่รวบรวมได้ในระยะแรก ได้ถูกนำมาเก็บรักษาไว้ที่ระเบียงคดรอบองค์พระปฐมเจดีย์ ต่อมาได้เคลื่อนย้ายไปไว้ในวิหารตรงข้ามพระอุโบสถ พ.ศ.๒๔๕๔ สมเด็จพระเจาบรมวงศ์เธอ กรมพระยาดำรงราชานุภาพ โปรดประทานชื่อวิหารหลังนี้ว่า “พระปฐมเจดีย์พิพิธภัณฑสถาน”
พ.ศ.๒๔๗๗ กรมศิลปากร รับเป็นสาขาของพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ ต่อมาประกาศใช้พระราชบัญญัติ โบราณสถาน โบราณวัตถุ ศิลปวัตถุ และพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ พ.ศ.๒๕๐๔ ให้พิพิธภัณฑสถานในความดูแลของกรมศิลปากรเป็นพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ จึงเปลี่ยนชื่อเป็น “พิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ พระปฐมเจดีย์”
พ.ศ.๒๕๑๐ กรมศิลปากร ได้รับงบประมาณก่อสร้างพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติหลังปัจจุบัน จึงเคลื่อนย้ายโบราณวัตถุจากอาคารเดิมมาจัดแสดง และทำพิธีเปิดอย่างเป็นทางการในวันที่ ๑๐ ตุลาคม ๒๕๑๔ ใช้ชื่ออาคารหลังใหม่นี้ว่า “พิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ พระปฐมเจดีย์”
พ.ศ.๒๕๖๔ กรมศิลปากร ได้รับงบประมาณดำเนินการปรับปรุงการจัดแสดงนิทรรศการถาวรภายในพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ พระปฐมเจดีย์ และเปิดให้บริการอีกครั้งในเดือนตุลาคม ๒๕๖๔
การจัดแสดงนิทรรศการถาวรในพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ เป็นการนำเสนอเนื้อหาทางประวัติศาสตร์และพัฒนาการของนครปฐม ที่สอดคล้องกับโบราณวัตถุในพิพิธภัณฑ์ ซึ่งส่วนใหญ่มีอายุอยู่ในช่วงวัฒนธรรมทวารวดี (พุทธศตวรรษที่ ๑๒-๑๖) แบ่งเนื้อหาการจัดแสดงดังนี้
๑. เรื่องราวของนครปฐมในสมัยก่อนประวัติศาสตร์และสมัยทวารวดีผ่านโบราณวัตถุ และการเข้าสู่ยุคประวัติศาสตร์จากจารึกสำคัญที่ค้นพบในเมืองนครปฐม และแนะนำภูมิศาสตร์ของนครปฐมโดยสังเขป
๒. ศาสนาและความเชื่อของชุมชนทวารวดีในนครปฐม จากหลักฐานโบราณวัตถุที่ค้นพบในบริเวณเมืองโบราณนครปฐม
๓. ความเจริญรุ่งเรืองของนครปฐมหลังจากวัฒนธรรมทวารวดีเสื่อมลง จนกระทั่งถึงสมัยเปลี่ยนแปลงการปกครอง พ.ศ.๒๔๗๕
