28 июля 1863 году на собрании попечительного комитета Вятской публичной библиотеки П.В. Алабин предложил создать при библиотеке публичный музеум. В 1863 г. для библиотеки и музея приобретается дом А.Ф. Машковцева (здание библиотеки им. Герцена). Первоначально музею отводились две небольшие комнаты, но в связи с поступлением значительных коллекций он занял восемь больших комнат. 

Торжественное открытие музея состоялось 22 января (3 февраля нов. ст.) 1866 г. за услуги перед городом и прежде всего – «за устройство музеума и приведение публичной библиотеки в наилучшее состояние» П.В. Алабина избрали почетным гражданином.

В декабре 1873 г. библиотека продала музей земству за 3000 руб. Коллекции перешли в земское Училище для распространения сельскохозяйственных и технических знаний и приготовления учителей, где должны были служить наглядными пособиями. После закрытия этого училища музейные предметы были переданы в Александровское реальное училище, где продолжали использоваться как наглядные пособия. Для естественно-научных коллекций был отдан бывший дом А.А. Истомина, создателя вятского ботанического сада (находился на территории сада).

В послереволюционный период музей, получивший название «Вятский губернский музей местного края», значительно укрепил свой научный потенциал. В 1918 году при музее были созданы научная библиотека и естественно-научная лаборатория, открыт кружок юннатов. Свой вклад в развитие музея внес целый ряд крупных советских ученых, в частности, ихтиолог профессор Б. С. Лукаш, минеролог и почвовед профессор П. А. Земятченский. В 1919 году началась музейная карьера А. Д. Фокина — подвижника вятского музея, пришедшего на работу на должность младшего лаборанта ботанического кабинета и проработавшего с перерывами на должностях заведующего кабинетом, начальника отдела, заместителя директора по научной части, научного сотрудника и главного хранителя фондов вплоть до 1972 г.

1 мая 1922 года была открыта экспозиция музея. В экспозиции были представлены минералы Урала, палеонтологические экспонаты, животный мир края, муляжи орудий каменного века, древние костяные изделия, народный костюм, оружие, предметы церковной старины, нумизматика. 

Краеведческий музей регулярно проводил различные экспедиции, основной задачей которых был поиск природных ресурсов для развития производительных сил региона. 

Одной из наиболее крупных была Вятская почвенная экспедиция Наркомзема под руководством проф. В. Г. Касаткина, которая проводила большие исследования в губернии с 1927 по 1929 гг.; ботанический отряд ее возглавлял А.Д. Фокин. 

В 1931-1932 гг. сотрудники музея принимали участие экспедициях под руководством профессора А.В. Федосова. Экспедиция 1931 г. изучала кормовые ресурсы бассейна р. Камы в Зюздинском, Кайском, Синегорском, Белохолуницком и Омутншинском районах, а в 1932 г. исследовали охотпромыслы Кайского района. 

Вторая половина XX века — время постоянного поступательного развития Кировского краеведческого музея.

В 1955 году для посетителей была открыта экспозиция отдела досоветской истории. При музее действовала фотолаборатория, ученый совет, долгие годы возглавляемый профессором Кировского государственного педагогического института им. В. И. Ленина А. В. Эммаусским. Музей выступал в качестве организатора экспедиций, вел активную научную работу.

В 1989 году была впервые проведена конференция по итогам научно-исследовательской работы музея. В том же году состоялись естественно-научные краеведческие чтения, посвященные проблемам изучения и охраны природы Кировской области. 

18 мая 2006 г., к 140-летнему юбилею музея для посетителей было открыто современное главное здание музея, расположенное по адресу ул. Спасская, д. 6. В 2014 году заработал самый молодой на сегодня отдел краеведческого музея — Музей воинской славы. 

21-22 апреля 2016 г. состоялась Всероссийская научно-практическая конференция «Краеведческий музей: история, коллекции, люди», приуроченная к 150-летию со времени основания Кировского областного краеведческого музея. На конференцию поступило 150 заявок из 30 регионов России и из Республики Беларусь.

Кировский областной краеведческий музей — член Союза музеев России. Среди наград учреждения — почетный знак «За активную работу по патриотическому воспитанию граждан Российской Федерации», памятные медали — к 65-летию Победы в Великой Отечественной войне (диплом подписан Президентом РФ Д. А. Медведевым) и «Киров — город трудовой славы», памятный знак «80 лет Кировской области».

В начале XXI в. музей продолжает активно развиваться, принимает деятельное участие в проведении всероссийских акций «Ночь в музее» и «Ночь искусств».