1953年,在西安灞桥发电厂的选址过程中发现半坡遗址。
1956年陈毅视察发掘工作并批示拨款30万元建立博物馆,名为“陕西省博物馆半坡村分馆”。
1954年~1957年,为就地保护和展示聚落遗址,中国科学院考古所进行了五次大规模发掘。
1957年改名为西安半坡博物馆。
1958年,博物馆建成并开放。发掘中共清理出房屋遗迹40多座、地窖遗迹200多座、灶坑80多个、柱洞400多个,以及陶窑6座和墓葬170多座。出土了近万件生产工具和生活用具,以及数量可观的彩陶、雕塑等艺术品和各类装饰品。4月1日,西安半坡博物馆正式建成开放,成为建国后第一座史前聚落遗址博物馆。茹士安任馆长。其主体陈列是著名的西安半坡遗址——一处新石器时代的聚落遗址,以及遗址中出土的各类文物。该聚落的最早年代约为公元前4800年。
1961年1月,国务院公布西安半坡遗址为全国第一批重点文物保护单位。
1983年,西安半坡博物馆创办了国内唯一的史前文化研究杂志《史前研究》(已停刊)。
1997年,西安半坡博物馆被中宣部列入全国100个爱国主义教育基地。
1998年,由西安半坡博物馆参与发起组织了中国博物馆学会史前遗址博物馆专业委员会,现为主任委员单位。
2008年,西安半坡博物馆被国家文物局评定为国家一级博物馆。
2009年,中国博物馆学会西安培训中心在西安半坡博物馆设立。
1958——2009年,西安半坡博物馆的主管单位先后为陕西省文化局、陕西省文物局(陕西省文化文物局)。自2009年起,主管单位为西安市文物局。