La historia del museo se inicia con los primeros hallazgos realizados por Mn. Joan Palà y Ferran de Sagarra de fragmentos de cerámica en las laderas del turó del Pollo en 1902, que dieron lugar al descubrimiento del poblado ibérico del Puig Castellar.
Los materiales arqueológicos hallados en las posteriores excavaciones realizadas en el Puig Castellar se fueron depositando en el Centre Excursionista Puigcastellar (CEP), donde compartían espacio con los materiales de ciencias naturales recogidos en multitud de salidas realizadas por miembros de la Sección de Estudios del CEP, hasta el año 1973 cuando el Ayuntamiento de Santa Coloma de Gramenet llega a un acuerdo con el centro excursionista para inaugurar, en 1974, el Museo Puig Castellar en los bajos de un edificio del calle de Mn. Camil Rossell.
El fondo depositado en este local estaba formado por tres grandes colecciones: arqueología, ciencias naturales y una biblioteca de más de 5.000 publicaciones especializadas en estos temas.
La aportación de nuevas donaciones y el interés que el museo despertó entre la población de Santa Coloma rápidamente revelaron la necesidad de crear un nuevo museo que dispusiera de un espacio y de unas instalaciones más adecuadas para la conservación de los materiales y su exposición al público.
En 1982 el ayuntamiento y los miembros del Museo Puig Castellar llegan a un acuerdo para crear un nuevo museo, el Museo Torre Balldovina. Con este objetivo empiezan las obras para restaurar y rehabilitar, según el proyecto de Jordi Ambrós, la Torre Balldovina, uno de los edificios más representativos de Santa Coloma, que ha sufrido diversas transformaciones a lo largo del tiempo: torre de defensa en el siglo XI; edificio de carácter agrícola en el XIV convertido en una gran casa solariega en el XVIII; residencia de veraneo de la familia del escritor Josep Maria de Sagarra y, finalmente, en mayo de 1986 sede del Museo Municipal y el Archivo Histórico de la Ciudad.
Desde entonces, el museo ha mantenido una presencia regular en la ciudad gracias a su exposición de referencia y a una programación de exposiciones temporales, algunas complementarias al discurso del museo, pero también teniendo en cuenta aquellas muestras de interés que promueven las entidades de la ciudad.
A principios de 1990 el arquitecto Enric Solsona i Piña recibió el encargo de un proyecto arquitectónico para finalizar la rehabilitación de las partes del edificio que no pudo llevarse a cabo en los años 80 debido a la escasez de recursos económicos.
A partir de 1995, con todo el edificio ya rehabilitado y recuperado para el museo, se amplia la oferta de servicios con una sala de actos y una aula taller destinada a las actividades escolares.