1988年4月，三星堆博物馆筹备处成立。
1989年3月，三星堆博物馆主楼设计方案获得批准。
1992年8月，三星博物馆奠基。
1994年7月，三星堆博物馆正殿土建工程完工。
1995年6月，三星堆博物馆《古城古国古蜀文化陈列》正式设计方案通过。
1996年8月，三星堆博物馆内部装修及展览外部园林建设及附属建筑全面启动。
1997年10月，三星堆博物馆建成开放，全面展示三星堆文物。
2008年7月，三星堆博物馆青铜馆改造工程竣工。
2022年1月，参加中央广播电视总台2022年春节联欢晚会，举办张国立三星堆文物现场发布仪式、冉红林担任解说员。5月6日，由中建八局承建的三星堆博物馆地下室一层浇筑顺利完成，是该工程的一次高效施工、优质履约按下“加速键”6月5日，随着三星堆博物馆地下室最后一块顶板浇筑成功，工程地下主体结构正式封顶，全面进入地上钢结构施工阶段。6月30日，三星堆博物馆新升级的青铜器馆吸引了众多游客，升级后的青铜器馆被“与神共舞——神秘的青铜王国”作为主题，展览面积约4000平方米，展出107件（套）三星堆精美的青铜文物，并首次展出青铜神龛（残件）等精品文物。7月，三星堆博物馆新馆于2022年3月底开工建设，6月初新馆地下主体结构正式封顶。9月21日，有消息称，作为三星堆国家文物保护利用示范区的重要组成部分，三星堆博物馆新楼屋面网架吊装已完成，地面主体结构正式封顶。
三星堆博物馆的造型追求与地形地貌、古迹与文物造型艺术的结合，融合了原始意味与现代感，旨在展现三星堆文化和三星堆文明。馆外有仿古祭祀台和现代文体活动大型表演场地；有古典附属建筑和餐饮娱乐设施；有草坪、水域湖面、假山、水车；还有儿童乐园。博物馆主体建筑的造型追求与地形、历史遗迹和文物造型艺术的结合也体现了博物馆的魅力“馆园结合”之特色。
《三星伴月——灿烂的古蜀文明》综合健身房综合馆陈展金、铜、玉、石、陶器等各种文物是分门别类设置的，因其寓意而纵向相连、横向展开，介绍古蜀的历史和三星堆古蜀在各个领域的辉煌成就。博物馆以三星堆遗址全景挂屏为主要展品，以坛底一对造型奇特的猛兽为原型制作主要雕塑，辅以大型壁画“长江文明之源”
这座综合博物馆分为六个单元：第一单元为“古蜀的沧桑在2000年——年，它位于西南”第二单元为“五华天府——三星堆的农业和商业”第三单元为“接地装置——三星堆陶器”第四单元为“——三星堆玉石器”第五单元为“——三星堆用火熔炼黄金”第六单元为“通天神树——象征着古蜀人的智慧和精神”
《三星永耀——神秘的青铜王国》青铜博物馆
青铜博物馆以青铜人头像和鸟为主要象征性雕塑，辅以大型铜浮雕背屏，通过连续递进的场景组合，全面系统地展示三星堆铜像和一批古蜀铜神及重物。青铜博物馆分为六个展厅，即：一展厅为“铜铸魔脸，——带魂神秘面具”二展厅为“辉煌的神，密集的女巫，3354个神和女巫的雕像”三展厅为“天地之后，人神共舞——祭祀仪式”四展厅为“站在地球上，与世界交流，——个女巫的长度”五展厅为“千年蜀魂——■令人惊叹的祠堂神器”六展厅为“心路历程——三星堆考古记录”
三星堆博物馆注重国际合作、图书馆之间的展览交流与合作。三星堆文物曾在十多个国家和地区展出，国内十余家博物馆举办过专题展览。
三星堆博物馆历次对外展览
1995年6月，三星堆部分文物在德国埃森克虏伯山庄展出。
1996年9月，三星堆的部分文物在大英博物馆展出。
从1998年4月至12月，“三星堆——面具王国之谜”展在日本东京、京都、福冈、广岛等地巡展。这是三星堆文物在海外的首次特展。
从2001年3月到2002年6月，“——四川古代文物展览”在美国西雅图、金布尔、纽约巡展三地，三星堆部分文物参展。
从2002年7月到2002年10月，“——四川古代文物展览”在加拿大皇家安大略博物馆举行，展出了三星堆的部分文物。
从2003年10月到2004年1月，“中国四川古代文物展览”作为中法文化年的重要组成部分，在法国巴黎举行，展出了三星堆的部分文物。
从2004年5月到2005年3月，“唤醒四川文明——三星堆及金沙遗址秘宝展”在日本秋田、盛岗、东京、富山、青森、郡山等地巡展，三星堆部分文物参展。
从2007年1月到2007年4月，“四川古代文物展”在新加坡亚洲文明博物馆举行，展出了三星堆的部分文物。
从2007年6月到9月，“三星金光闪闪的沙子流过——个神秘的古蜀文明”展览在香港文化博物馆举行，三星堆的部分文物参加。
罗城风华——广汉文物精华展”三星堆博物馆文物保护中心一楼展厅面积约900平方米，展出文物137套。
三星堆与南方丝绸之路青铜文物展”三星堆博物馆青铜馆专题展厅，展览面积400平方米，是中国著名的展览馆“南方丝绸之路”展示线索的大型专题展览。
文物有：国宝级文物神树玉琮;2021年6月，三星堆遗址3号祭祀坑发掘出完整的黄金面具它大约28厘米宽，17厘米高，净重97克它是3000多年前古蜀人在青铜人物上附加黄金材料而形成的。
2021年12月18日下午，三星堆博物馆文物保护修复馆正式开馆，金面居、玉琮、撞脸“奥特曼”诸葛亮”这里展出了新出土的文物，如铜像。
2021年，三星堆遗址祭祀坑出土的最新文物在修复博物馆亮相9月28日，三星堆博物馆开放式文物修复馆开始试运行。三星堆开放式文物修复馆采用玻璃隔断，观众可以身临其境地现场观看文物修复师修复的文物。
三星堆博物馆收藏与文物保护、学术研究与社会教育融为一体，三星堆遗址及其中一处遗址集中收藏展示、商代二号祭祀坑出土的青铜器、玉石器、金器以及陶器、骨器等一千多件珍贵文物。
戴着黄金面具的青铜人头像：这件文物是商代的青铜器黄金面具由金块制成然后按照人头的形状，额头齐平，下半部包裹，左右两边盖耳朵，耳垂穿孔，眉毛挖空。把面具粘在人头上的方法是用生漆混合石灰作为粘合剂，把金面具贴在铜人头上。现收藏于三星堆博物馆。
商铜纵目面具：这件文物是商代的青铜器面具呈方形，倒八字刀眉，眉尖向上，眼斜，眼球极其夸张；耳尖部呈桃尖状；勾鼻，嘴角深而长，像微微露出的舌尖，做出神秘的微笑；下颌前伸；额头中间有一个方孔。现收藏于三星堆博物馆。
商铜立人像：这件文物是商代的青铜器人像采用分段浇铸法镶嵌浇铸主体是中空的，分为两部分人像和底座。人眉毛粗，眼睛直，鼻子高，嘴巴宽。头戴花形高冠，身穿三层窄袖半臂右撇子衫。人把胳膊抱在胸前，手是空心的。戴上手镯，赤脚站在方形的怪兽座上。现收藏于三星堆博物馆。
商玉珠：这件文物是商代玉器，一串41件玉珠多为鼓形或长鼓形，少数为计数珠玉珠的质地是碧玉，呈绿色、白等多种颜色。现收藏于三星堆博物馆。
商玉戚形璧：这件文物是商代的玉器呈鞋底状，两边扁平，边缘薄，中间厚它有一个圆形的穿孔，孔的边缘向两边突出，形成一个高领。领子呈圆柱形，腰部略向内。现收藏于三星堆博物馆。
商玉瑗：此文物为商代玉器，蚀变白云石，云状深灰色。全器残为三段。好的壁直，肉面平整，表面抛光肉面有五组同心凹弦，以两圈为一组。现收藏于三星堆博物馆。
商陶尖底盏：这件文物是商代的陶器，尖底灯是带砂的陶器内部为深褐色，外部为黄褐色，部分为黑色。圆唇，弧壁，温和的鞋垫，鞋垫中间略呈漏斗状凸起，外底呈尖锥形。现收藏于三星堆博物馆。
商陶小平底罐：这件文物是商代的陶器，直口、短唇、束颈、转角圆折肩、腹胀，小腹快速内收，小平底。小平底壶是一种用填砂灰褐色陶器制作的炊具和容器。现收藏于三星堆博物馆。
商陶鸟头勺把：这件文物是商代的陶瓷这只鸟的喙它的头勺柄是钩状的，很结实，或者它是一只鹰猛禽。器物纹饰简洁。现收藏于三星堆博物馆。
商陶鸟头勺把
商金杖：这件文物是商代的金器金棒用金条打成金皮，然后缠在木棒上；在金杖的一端，有一个图案，分为三组：靠近末端的那组，折叠起来就像是两个前后对称的人的头像，戴着五齿冠和三角耳环。另外两组也是同样的模式，鸟和鱼的背部上下相反。现收藏于三星堆博物馆。
商金箔璋形饰：这件文物是商代的金器其体长，两侧直，前部由后向前逐渐变宽，前端有叉形刃。宅邸呈钝角，拐角处有一个小圆圈。现收藏于三星堆博物馆。
商金箔璋形饰
商金箔虎形饰：这件文物是商代的金器，上面贴着金箔“目”字形的虎斑纹。老虎它的头抬起，嘴在咆哮，眼睛被掏空，前脚伸出，后脚蜷缩，尾巴卷起，呈奔跑状。金虎呈半圆形。现收藏于三星堆博物馆。
2015年9月13日，第二届“中非文化遗产保护论坛”14日，非洲代表在成都参观三星堆博物馆。
2021年5月28日晚，国务院新闻办公室、国家文物局、人民四川省人民政府将在四川省广汉市三星堆博物馆联合举办“走进三星堆了解中华文明”主题活动。一组精美的海报带你走进三星堆博物馆。三星堆重要文物即将亮相。
2021年12月18日，三星堆遗址管委会与金沙遗址博物馆签署联合申遗合作协议，双方将对遗产进行申报和研究、陈列展览、宣传推广等方面全面合作，共同推进古蜀文明遗产的保护和传承。
2022年5月18日，三星堆博物馆“遇见敖汉旗——出土玉器展”开幕，来自“中国玉文化的源头”敖汉地区出土的玉珏、玉猪龙等113件(组)精美文物现身四川广汉。
三星堆博物馆的建立使人们重新认识了巴蜀文化，改变了历史学家的观点，即：与中原相比，古巴蜀地区是一个相对封闭的地方，与中原文明没有联系或交流很少。三星堆博物馆及其遗址证明，它应该是中国夏商代前后，甚至更早的重要文化中心，与中原文化有一定联系，验证了古代文献中关于古蜀王国记载的真实性。以前历史学家认为中华民族的发源地是黄河流域，后来逐渐扩散到全中国三星堆的发现把古蜀的历史推到了5000年前，证明了长江流域和黄河流域一样是中华民族的发祥地，证明了长江流域存在着不亚于黄河流域的古文明有人认为三星堆代表了古老的羌族和彝族文化。
三星堆博物馆先后荣获四川省推出的五大旅游景区之一和首批国家AAAA级旅游景区、外国人在中国最值得去的50个地方”之一、国家青少年科技教育基地、世界首家通过“绿色环球21”旅行和旅游业可持续发展标准与ISO9001：2000年质量管理体系标准认证的博物馆和其他标题。
2019年9月20日，荣获全国绿化模范单位称号。
2020年5月，入选“第十七届（2019年度）全国博物馆十大展览推介活动”的“十大精品”奖项名单，“三星堆：人与神的世界——四川古蜀文明专题展”荣获国际及港澳台合作奖。
2021年8月，被中国侨联认定为中国第九批海外华人国际文化交流基地。
2021年8月，四川广汉三星堆博物馆公共服务部讲解组被命名为“第二十届全国青年文明号“
第十一届中国旅游投资2022年和2021年“艾蒂亚”奖项提名名单出炉，三星堆博物馆提名最佳旅游项目奖。
2020年2月18日，为支持一线医务工作者，四川三星堆博物馆宣布，自重新开放之日起至2020年12月31日，向全国医务工作者免费开放。
2021年10月9日，三星堆博物馆将进行青铜器博物馆基础陈列提升工程，原青铜器博物馆内的精品文物将在青铜器博物馆展厅内（位于祭祀台以东50米处）展出。在此期间，普通票价降至60元，学生票降至30元，园票原价不变。
三星堆博物馆将于3月23日10时起有序重新开放。
2021年11月26日（星期五）三星堆博物馆恢复对外开放。
三星堆景区交通便利，有108国道、成（都）绵（阳）高速、宝成铁路可以到达。It只有20分钟从成都昭觉寺站开车到广汉，可以在广汉市区乘坐6路公交车直达三星堆。
2020年2月23日，三星堆博物馆等8家博物馆集体上线淘宝直播，广大网友可以“云”游参观。