Началото на организираното музейно движение в Стара Загора е положено през 1907 г.,  с основаване на Археологическо дружество „Августа Траяна” от група родолюбиви старозагорски културни дейци и общественици. Само 5 години по-късно, в града е построена специална сграда за музей и градска библиотека. През 1949 г. Старозагорският музей е одържавен и преобразуван в общински, а на 1 януари 1953 г. е обявен за окръжен и поема функциите на научен и методически център за региона. През 2000 г., с постановление на Министерски съвет, е преобразуван в Регионален исторически музей – Стара Загора.

През 2007 г. музеят е настанен в специално построената за него сграда с форма, наподобяваща пясъчен часовник – алюзия за непреходността на времето. Това е първата сграда в страната, построена за музей след 1989 г. Обявена е за „Сграда на годината 2009“ в категория „Сгради със специално предназначение“. Архитекти на сградата са Георги Чернев, Петър Киряков и Николай Вътев.

Постоянната експозиция на музея е открита на 3 март 2009 г. Тя е на три нива и проследява историята на града от VI хил. пр. Хр. до възстановяването на Стара Загора след разрушенията по време на Руско-турската освободителна война (1877-1878 г).

На приземното ниво в сградата са експонирани оригиналните останки на една от главните улици на античния град Августа Траяна. Акцент е и уникалната подова мозайка от IV в. „Дионисиево шествие”. На първо ниво са експонирани богатите музейни колекции от праисторията и античността. В експозицията на второ ниво са показани значими средновековни паметници, сред които се откроява Лъвица с лъвче, един от петте уникални каменни релефа със стилизирани изображения  на животни, основен символ в герба на Стара Загора. Експонатите от периода XV – XIX в. илюстрират утвърждаването на Ески Загра през Възраждането като важен стопански, културен и просветен център.

Пространството за временни изложби е разположено на трето ниво в музейната сграда.

В двора на музея е оформен лапидариум, който през топлата част на годината е сцена за театрални представления, концерти и други прояви от културния календар на общината.

Музейни обекти към Регионален исторически музей  –  Стара Загора: Музей „Неолитни жилища”, Античен форумен комплекс на Августа Траяна, Архитектурен комплекс „Музей на религиите”, Къща музей „Градски бит ХІХ в.“, Музеен обект „Хилендарски метох“, Музеен обект „Късноантична мозайка от частен римски дом, ІV в.“.