La storia del Museo Archeologico Nazionale di Cagliari prende avvio a inizio '800, quando Lodovico Baylle propose di creare un museo per raccogliere le collezioni archeologiche, custodire le testimonianze di Storia naturale dell'isola e renderlo fruibile al pubblico dal 1802.
Da allora numerose personalità del panorama culturale del Regno di Sardegna si susseguirono nella cura e direzione del Museo: da Leonardo De Prunner al canonico Giovanni Spano, passando per Gaetano Cara e Patrizio Gennari, sino ad arrivare a Filippo Vivanet alla fine del XIX secolo.
Grazie ad una lunga serie di donazioni, acquisizioni di raccolte private, reperti provenienti da campagne di scavo e materiali rinvenuti casualmente, nel corso dell'800 si rese necessario trasferire più volte la sede museale: dall'iniziale sala dedicata presso il Palazzo Viceregio (che già nel 1806, a seguito della cospicua donazione di reperti dell'allora viceré Carlo Felice, risultava troppo angusta per contenere la collezione) il museo occupò una sala del Museo di Mineralogia sino a che fu trasferito nel 1885 presso Palazzo Vivanet, dove rimase per circa 20 anni.
A inizio XX secolo l'esigenza che il museo avesse una sede propria fu soddisfatta: come luogo fu individuato l'edificio situato in piazza Indipendenza che sino a poco prima ospitava la zecca e l'armeria e che, grazie ad un progetto di Dionigi Scano, fu adattato per contenere la preziosa raccolta museale.
Fu Antonio Taramelli, soprintendente alle Antichità della Sardegna sino al 1931, a curare la nuova esposizione, articolata nelle sale dedicate alla Sardegna preromana, alla Sardegna punica, nel salone dove erano raccolti per categorie gli oggetti punici e romani ed infine nelle tre sale a soggetto: il lapidario, la sala romano-cristiana, il medagliere.
Da lì in avanti vi fu un arricchimento straordinario del numero e della qualità dei reperti, complici le tante proficue campagne di scavo portate a termine lungo tutto il secolo, a Nora e Tharros negli anni '60 e successivamente a Monte Sirai, Antas, Bithia, Sulci.
Sotto la direzione di Vincenzo Santoni avvenne il trasferimento dalla vecchia sede, ormai insufficiente per spazio e servizi, in quella nuova e prestigiosa della Cittadella dei Musei, com'era già stato pensato dagli anni Cinquanta così da creare una struttura culturale polivalente, che accogliesse la sede museale, la Pinacoteca Nazionale, il Dipartimento di Scienze Archeologiche e Storico-Artistiche, l'Istituto di Studi Sardi. Opera degli architetti Piero Gazzola e Libero Cecchini, venne inaugurata nel 1979 ma, in seguito agli adeguamenti necessari iniziati nel 1986, si arrivò alla nuova apertura nel 1993.
Il nuovo Museo Archeologico Nazionale di Cagliari si articola su quattro piani: il primo è dedicato ad una presentazione didattico-didascalica della successione delle culture antiche in Sardegna, partendo dal Neolitico (Bonu Ighinu, Abealzu, Filigosa e Vaso Campaniforme o Monte Claro).
Segue quindi la civiltà nuragica, rappresentata da innumerevoli reperti fra i quali spicca la collezione di bronzetti, che raccoglie esemplari provenienti da tutta l'isola.
Seguono le civiltà fenicia, punica e romana, tutte e tre decisive nella storia della Sardegna; tra i reperti più rappresentativi figurano le tipiche ceramiche e oggetti di altissimo artigianato.
Il piano terra si conclude con una raccolta di monete puniche e romane e una vetrina didattica per i non vedenti.
Gli altri tre piani sono dedicati all'illustrazione dei diversi settori territoriali, con l'esposizione dei materiali rinvenuti nelle diverse località seguendo un criterio topografico, con vetrine dedicate a siti archeologici specifici, come il complesso nuragico Su Nuraxi di Barumini, il Santuario di Antas o le città fenicie di Sulci e Monte Sirai.
Da alcuni anni, il Museo Archeologico Nazionale di Cagliari aderisce al progetto "Domenica al Museo" che prevede l'ingresso gratuito ogni prima domenica del mese.