การจัดตั้งพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ นครศรีธรรมราช เริ่มต้นจากการที่หน่วยศิลปากรที่ 8 กรมศิลปากร (ปัจจุบันคือสำนักงานโบราณคดี ที่ 14 นครศรีธรรมราช) ซึ่งมีหน้าที่รับผิดชอบดูแลรักษาโบราณสถานในเขตภาคใต้ตอนบน ในปี พ.ศ. 2507 ดำเนินการขุดแต่งบูรณะเจดีย์ยักษ์ อำเภอเมือง จังหวัดนครศรีธรรมราช ระหว่างปีพ.ศ.2509 ถึง 2510ได้โบราณวัตถุเป็นจำนวนมาก แต่ไม่มีสถานที่เก็บรักษา นอกจากนั้นยังมีโบราณวัตถุที่ได้จากการสำรวจขุดค้นในท้องที่จังหวัดนครศรี ธรรมราช ชุมพร สุราษฎร์ธานี ระนอง พังงา กระบี่ ภูเก็ต รวม จังหวัด

รัฐบาลได้เล็งเห็นความสำคัญของการเก็บรวบรวม โบราณวัตถุ และศิลปวัตถุต่างๆ อันเป็นมรดกทางวัฒนธรรมของชาติไว้ในที่แห่งเดียวกัน และจัดตั้งแสดงตามหลักวิชาการสากล เพื่ออำนวยความสะดวกแก่การศึกษา ค้นคว้าของนักเรียน นักศึกษา และบรรดาผู้สนใจ จึงอนุมัติงบประมาณให้กรมศิลปากรจัดสร้างอาคารพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ นครศรีธรรมราช เมื่อปี พ.ศ.2513 โดยมีบริษัทพาณิชย์การไม้ เป็นผู้ดำเนินการก่อสร้าง การก่อสร้างอาคารแล้วเสร็จในปี พ.ศ. 2517 ใช้งบประมาณเป็นเงิน 2,100,000 บาท ค่าจัดทำรั้วและถนน เป็นเงิน 500,000 บาท รวมค่าใช้จ่ายทั้งสิ้นเป็นเงิน2,600,000 บาท (สองล้านหกแสนบาทถ้วน) สถาปนิกที่ออกแบบคือ นายเมธี คันธโร หัวหน้าแผนกก่อสร้าง กองสถาปัตยกรรม วิศวผู้คำนวณแบบก่อสร้าง คือ นายไพรัช ชุติกุล นายช่างพิเศษ กองสถาปัตยกรรม ผู้จัดแสดงโบราณวัตถุ ศิลปวัตถุ คือนางจิรา จงกล ภัณฑารักษ์เอก นางสาวณัฎฐภัทร นาวิกชีวิน ภัณฑารักษ์ตรี นายเอก จารีพลการ ช่างตรี และนายอิทธิศาสตร์ วิเศษวงษา ช่างศิลปตรี กองโบราณคดี กรมศิลปากร

เมื่อวันที่ 26 สิงหาคม พ.ศ.2517 พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวและสมเด็จพระนางเจ้าสิริกิติ์ พระบรมราชินีนาถ เสด็จพระราชดำเนินพร้อมด้วยสมเด็จพระเจ้าลูกเธอ เจ้าฟ้าสิรินธรเทพรัตนราชสุดา กิติวัฒนาดุลยโสภาคย์ และสมเด็จพระเจ้าลูกเธอ เจ้าฟ้าจุฬาภรณ์วลัยลักษณ์ อัครราชกุมารี ทรงประกอบพิธีเปิดพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ นครศรีธรรมราช นับเป็นพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติในภูมิภาคแห่งที่ 6 ที่ทรงประกอบพิธีเปิด (แห่งแรกคือพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ เจ้าสามพระยา จังหวัด พระนครศรีอยุธยา)พิพิธภัณฑสถานแห่งชาตินี้ เป็นพิพิธภัณฑสถานประเภทศิลปะโบราณคดี

ปี พ.ศ. 2539 กรมศิลปากรได้รับงบประมาณการจัดสร้างอาคารพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ นครศรีธรรมราช ต่อเติมในส่วนที่ 2 ใช้งบประมาณทั้งสิ้น 11,800,000.00 บาท ก่อสร้างโดยบริษัทดำรงก่อสร้างวิศว จำกัด แล้วเสร็จในปี พ.ศ.2540 ใชัเป็นอาคารสำนักงาน อาคารเอนกประสงค์จัดแสดงนิทรรศการพิเศษและจัดกิจกรรมต่างๆ