След възстановяването от руините, предизвикани от опожаряването и разоряването по време на Руско - турската освободителна война (1877-1878 г.), Стара Загора бързо започва да гради своето бъдеще. При новото строителство се разкриват останки от древно наследство, което родолюбиви граждани искат да съхранят и популяризират. През 1907 г. по инициатива на дописния член на Българската академия на науките Атанас Илиев и училищния инспектор по история Атанас Кожухаров и по предложение на тогавашния Старозагорски окръжен управител Христо Милев, възниква идеята за основаване на археологическото дружество „Августа Траяна".
Сред „основателните" членове личат имената на митрополит Методий Кусев, майор Петър Ханджиев, на възрожденския поет Петър Иванов, на околийския инспектор Петър Касабов и редица изтъкнати старозагорски общественици. Основната цел на дружеството е „да уреди и поддържа един музей", който „да събира, запазва и проучва всички предмети от археологична и историческа стойност", за да „възбуди интерес между населението, да цени и пази старините".
Първият уредник на музея е Атанас Кожухаров. Негово дело е първата музейна експозиция, разположена отначало в училищна стая на една от прогимназиите в града. По-късно експозицията е преместена в салона на общинския съвет, а от 1912 г. в специално построена сграда на градската библиотека. След смъртта му, през 1931 г., в продължение на 18 години музеят се оглавява от изтъкнатия старозагорски учител по история Христо Райков. През 1949 г. ръководството и издръжката на музея са поети от държавата, а през 1952 г. е обявен за окръжен и поема функциите на методически център на музеите в окръга.
От 1951 до 1982 г. неизменно като негов директор е ст. н.с. Димитър Николов. От тогава, последователно директори са: ст. н.с. Христо Буюклиев, н.с. Петър Калчев и доц. д-р Светла Димитрова. Новата сградата е уникална като архитектура, във формата на пясъчен часовник - алюзия за непреходността на времето и музея, като храм на историческата памет. В експозицията с повече от 1700 артефакта се проследява историята на града от VІ хил. пр. Хр. до възстановяването му след Руско - турската освободителна война 1877-1878 г.). По отношение на тяхното разнообразие, научна, художествена и културно-историческа стойност, Старозагорския музей е на едно от първите места в страната. С национална значимост са много от съхраняваните ценности във фондовете на отделите Праистория, Антична и Средновековна археология, Нумизматика, Етнография, История на българските земи ХV - ХІХ в., Нова и Най-нова история на България. Между тях са прочутия средновековен релеф на лъвицата с лъвче, превърнат в герб на Стара Загора, знамето на старозагорските въстаници от 1875 г., препис от Паисиевата история, изключително богати нумизматични колекции от всички епохи, сбирки от ръкописни и старопечатни издания, както и богата епиграфска сбирка.
За да разнообрази дейността си, днес старозагорският музей предлага множество атракции за своите посетители: интерактивни кътове за снимки, организиране на тематични разходки, игри за малки и големи, художествени ателиета, провеждане на инициативата „Срещи в четвъртък" и др. Така музеят е не само пазител на миналото в настоящето, но и мост към бъдещето.
