El Museo nació en 1973 como iniciativa de la comunidad, que representada por una comisión cultural, propuso a las autoridades la creación de una entidad que llevara el nombre de Museo Regional de Atacama y de un comité que velara por su desarrollo. La Residencia de los Intendentes, en calle Atacama 630, albergó a la naciente institución. Se inauguró el 8 de diciembre de 1973, con la exhibición de colecciones arqueológicas, mineralógicas e históricas provenientes de la Universidad Técnica del Estado, la Escuela Normal Rómulo J. Peña, el Liceo de Hombres de Copiapó, El Centro Cultural Jotabeche, la Ilustre Municipalidad de Copiapó, y algunos particulares.

En 1982 el Museo fue trasladado al restaurado edificio patrimonial conocido como la Casa de los Hermanos Matta Goyenechea, declarado Monumento Nacional según decreto Nº 1813 del 29/06/79. En este nuevo espacio se instaló una nueva exhibición que fue inaugurada en 1982.

Desde 1997, a través del Proyecto de habilitación, documentación y conservación de colecciones, la Institución experimentó un importante proceso de modernización, que se tradujo en la remodelación de sus espacios, nueva museografía, estudios y publicaciones de tipo arqueológico.

A partir del año 2010 el Museo Regional de Atacama experimenta importantes avances en el ámbito del estudio histórico y conservación patrimonial, adjudicándose proyectos institucionales que permitieron actualizar y modernizar exhibiciones, extender las investigaciones de carácter histórico y antropológico, además de continuar con las publicaciones.

El 2014 el Ministerio de Bienes Nacionales otorga un terreno a la DIBAM, para construir allí del Nuevo Museo Regional de Atacama. Ese mismo año, su construcción se transforma en "Meta Presidencial". Tres años más tarde, el proyecto Construcción del Nuevo Museo Regional de Atacama, recibe la Recomendación Social o RS para su definitiva construcción.