Dne 8. listopadu 1878 bylo založeno Obecní muzeum pro město Plzeň a západní Čechy. Muzeum tehdy sídlilo v budově dnešní Státní vědecké knihovny. Jeho zaměření i značný nárůst sbírek způsobil, že 7. listopadu 1888 bylo muzeum rozděleno na dva samostatné ústavy: Městské historické muzeum a Západočeské uměleckoprůmyslové muzeum.
V roce 1886 byl ředitelem uměleckoprůmyslového muzea jmenován architekt Josef Škorpil. Podle jeho návrhu byla na konci roku 1896 zahájena výstavba nové budovy v Kopeckého sadech. Hrubá stavba byla dokončena v roce 1898, vnitřní výzdoba o rok později.
V roce 1901 došlo k přesunu sbírek obou muzeí z nevyhovujících prostor do nové budovy a v roce 1913 bylo muzeum otevřeno pro návštěvníky.
V roce 1909 vznikl v Plzni Kroužek přátel starožitností pod vedením Ladislava Lábka. O dva roky později na jeho činnost navázala Společnost pro národopis a ochranu památek Plzně a okolí.
Město tehdy pro její potřeby zakoupilo Gerlachovský dům propojený s domem Chotěšovským na náměstí Republiky. Národopisné sbírky byly poprvé zpřístupněny v roce 1915. Dne 22. února 1918 bylo Národopisné muzeum ustanoveno jako městské instituce.
Německá okupace v roce 1939 značně narušila činnost všech tří muzeí. V roce 1943 došlo k jejich sloučení pod jednu německou správu; bylo zrušeno několik expozic a docházelo k nešetrné manipulaci s muzejními sbírkami. V roce 1945 byla jejich samostatnost opět obnovena.
Změna politické orientace státu v únoru 1948 přinesla další reorganizaci. Dne 8. 3. 1948 byla muzea sloučena do jednoho ústavního celku pod názvem Západočeské muzeum v Plzni. V témže roce byl od sbírek Historického muzea oddělen archivní fond a vznikl Archiv města Plzně. Stejně tak byla vyčleněna knihovna, která se stala základem Státní vědecké a studijní knihovny v Plzni. Část sbírek bývalého Uměleckoprůmyslového muzea dala vzniknout Západočeské galerie v Plzni. V roce 1958 došlo ke spojení muzea, galerie a nově vzniklého Krajského střediska státní památkové péče a ochrany přírody v jeden administrativní celek pod názvem Krajský vlastivědný ústav. Ten ale neměl dlouhého trvání. Roku 1960 byl opět rozdělen na jednotlivé organizace s právní subjektivitou. V roce 1987 bylo Plzeňským pivovarům, n.p., předáno Pivovarské muzeum se sbírkami a se stálou expozicí mapující historii plzeňského pivovarnictví.
V roce 1984 byla hlavní budova z důvodu havarijního stavu uzavřena. Nevyhnutelná generální oprava si vyžádala vystěhování veškerých sbírek i fondu knihovny do náhradních prostor. Ke znovuotevření muzea došlo v roce 1998 po celkové rekonstrukci hlavní budovy.
V roce 2009 bylo ve spolupráci s Městem Plzní vybudováno Muzeum loutek. V roce 2014 zahájilo činnost Muzeum církevního umění plzeňské diecéze v objektu bývalého františkánského kláštera vybudované ve spolupráci s Plzeňskou diecézí. Novou pobočkou Západočeského muzea v Plzni je od roku 2015 také Muzeum Dr. Bohumila Horáka v Rokycanech a národní kulturní památka Vodní hamr Dobřív.
