Pada tahun 1974, Gubernur Jawa Tengah melalui Bupati Sragen membangun museum kecil di desa Krikilan, Kecamatan Kalijambe, Kabupaten Sragen untuk menampung fosil hasil temuan. Museum tersebut diberi nama Museum Plestosen. Sementara di kawasan Cagar Budaya Sangiran sisi selatan Sungai Cemoro pada tahun 1977 dibangun juga sebuah museum kecil di desa Dayu, Kecamatan Gondangrejo, Kabupaten Karanganyar, yang berfungsi sebagai basecamp dan tempat untuk menampung hasil penelitian di wilayah Cagar Budaya Sangiran sisi selatan.
Tahun 1983 pemerintah pusat membangun museum baru yang lebih besar di desa Ngampon, Desa Krikilan, Kecamatan Kalijambe, Kabupaten Sragen. Komplek Museum ini didirikan dan terdapat Ruang Pameran, Ruang Storage, Ruang Laboratorium, Ruang Istirahat/Ruang Tinggal Peneliti, Ruang Garasi dan Kamar Mandi. Selanjutnya, koleksi yang ada di Museum Plestosan Krikilan dan Koleksi Museum Dayu dipindahkan je museum yang baru ini. Museum ini selain berfungsi untuk memamerkan fosil temuan dari kawasan sangiran juga berfungsi untuk mengkonservasi temuan yang ada dan sebagai pusat perlindungan yang ada da pelestarian kawasan Sangiran.
Koleksi yang ada di Museum Sangiran semua berasal dari sekitar Situs Sangiran. Koleksi ini antara lain berupa fosil manusia, fosil hewan, fosil tumbuhan, batu-btuan, sedimen tanah dan juga perlatan batu yang dulu pernah dibuat dan digunakan oleh manusia purba yang pernah bermukim di Sangiran (Sangiran, 2004: 12). Koleksi-koleksi tersebut sebagian besar disimpan di gudang dan sebagian lagi di pajang di ruang pameran yang saat ini terdiri dari tiga ruang. Ruang Pameran Utama, Ruang Pameran Tambahan 1, Ruang Pameran Tambahan 2.