1878 startade insamling av föremål i Norrbotten. I början förvarades de hemma hos bolagsdisponenten J.A. Wikström i Luleå.

20 september 1886 bildades Norrbottens Museiförening med medlemmar från residensstadens övre borgerskap. Föreningens övervägande frågor var ekonomin, lokalerna och föremålssamlingarna. Lokalfrågan försvårades i och med Luleå stads brand 1887, då stora delar av centrum förstördes.

1901 inreddes lokaler i länsstyrelsens byggnad för museiföreningens samlingar, som tidigare varit utställda i läroverket.

På initiativ av författaren David Törnqvist och länsmejerskan Anna Gustafsson började föreningen under 1910-talet diskutera bildandet av ett friluftsmuseum på Gültzauudden. Tanken förverkligades i början av 1920-talet. 1922 ombildades föreningen till Norrbottens läns hembygdsförening.

På 1920-talet anställde hembygdsföreningen Einar Möller som vaktmästare. Han kvarstod i tjänst till 1960-talet. Bertil Waldén blev den första yrkesutbildade museiintendenten 1926.

Planerna på en egen museibyggnad växte fram. Finansieringen löstes så att dåvarande kronprinsen Gustaf Adolf den 21 juli 1936 kunde inviga den nuvarande museibyggnaden på Storgatan 2. Byggnaden ritades av arkitekt Eberhard Lovén.

Under andra världskriget minskade verksamheten. Delar av museibyggnaden togs i anspråk av länsstyrelsens kristidsorgan och landsantikvarie Reinhold Odencrants var periodvis mobiliserad. Först 1950 kunde länsmuseet återta hela museibyggnaden igen.

Personalstyrkan bestod fram till 1956 av en landsantikvarie, en vaktmästare och tillfälliga amanuenser samt en städerska.

1961-1972 innehade Harald Hvarfner landsantikvarietjänsten och under hans ledning utvecklades museet snabbt. Fältarbeten och bokutgivning kompletterade utställningarna som turnerade i hela länet. Museet organiserades 1964 i tre avdelningar. 1966 hade museet 15 anställda.

Friluftsmuseet på Gültzauudden flyttades omkring 1970 till Gammelstad och blev Friluftsmuseet Hägnan.

1967 ändrade hembygdsföreningen namn till Föreningen Norrbottens museum. 1977 ombildades museet till en stiftelse med två huvudmän; Luleå kommun och Norrbottens läns landsting. Den gamla föreningen delades i två delar. Själva länsmuseet fördes över till den nya stiftelsen, medan förening för hembygdsintressenter samlades i Norrbottens hembygdsförening, som i början på 1980-talet bytte namn till Norrbottens hembygdsförbund.

1 juli 1976 omorganiserades kulturminnesvården i Sverige. Vid länsstyrelserna inrättades länsantikvarier som övertog den myndighetsutövande delen av landsantikvarierna.

Stiftelsen omorganiserades i april 1992. Landstinget övertog helt verksamheten för Norrbottens museum, medan Luleå kommun övertog ansvaret för Friluftsmuseet Hägnan i Gammelstad.

1 oktober 1999 blev Stiftelsen Norrbottens museum en basenhet inom Norrbottens läns landsting och idag består personalstyrkan av ett sextiotal anställda. Verksamhet bedrivs inte bara i Luleå utan i hela länet, med t.ex. utredningar och dokumentationer, kulturprojekt och utställningsproduktion samt en barn- och ungdomsverksamhet.

1 januari 2017 bytte landstinget namn till Region Norrbotten. Norrbottens museum ingår i Region Norrbotten, Avdelningen för regional utveckling, Kultur och utbildning.

Norrbottens museums ordinarie heltidsanställda chefer:
Gunnar Ullenius, mar 1929 - dec 1936
Reinhold Odencrants, 1937 – 1945
Hans Beskow, 1946- 1961
Harald Hvarfner, 1961 – 1971
Björn Hallerdt, 1972 – 1975
Kjell Lundholm, 1975 – 1987 (ordinarie från 1981)
Pär Hallinder, 1988 – 1990
Disa Åberg, 1990 – 1992
Majvor Östergren, 1992 – 1994
Majlis Granström, 1995- 2001
Johan Lilliehöök, 2001 – 2004
Curt Persson, 2004 – 2012