Στην αρχή ως Μουσείο της Θάσου χρησιμοποιήθηκε το ισόγειο του Δημοτικού Σχολείου του Λιμένα, πιθανότατα ήδη από το 1911, με την έναρξη των ανασκαφών της Γαλλικής Σχολής. Σε αυτό το πρώτο κτίριο μεταφέρθηκαν τα κομμάτια του γνωστού αρχαϊκού κούρου και έγινε η πρώτη του αποκατάσταση. H θέση του νέου κτιρίου, που προοριζόταν εξαρχής για Μουσείο, υπαγορεύθηκε από την ιστορική πορεία των ανασκαφών. Αυτές είχαν αποκαλύψει αρχικά το μεγάλο μνημειακό αρχιτεκτονικό σύνολο της αρχαίας αγοράς, την καρδιά της αρχαίας πόλης. Στις αρχές του 20ου αιώνα στη θέση της αρχαίας πόλης δεν υπήρχε οικισμός παρά μόνο η «σκάλα», το επίνειο του παραδοσιακού οικισμού της Παναγίας. Μετά από την ανάπτυξη του σύγχρονου οικισμού με το πέρασμα των ετών, τόσο η αγορά όσο και το Μουσείο βρέθηκε στον πυρήνα της σύγχρονης πόλης της Θάσου.
Το πρώτο κτίριο λοιπόν του Αρχαιολογικού Μουσείου της Θάσου, αυτό που σήμερα αναφέρουμε ως παλαιά πτέρυγα, άρχισε να κτίζεται το 1931 και ολοκληρώθηκε το 1935 με κρατική επιχορήγηση. Πρόκειται για το παλαιότερο μουσειακό κτίριο στη Βόρεια Ελλάδα. Έκτοτε, οι συνεχιζόμενες έρευνες και η συσσώρευση του αρχαιολογικού υλικού δημιούργησαν την ανάγκη επέκτασης του Μουσείου. Για το λόγο αυτό, κατά τα έτη 1989-1999, στο γειτονικό οικόπεδο κατασκευάσθηκε νέα πτέρυγα. Το έργο της «Νέας μόνιμης έκθεσης και των υποδομών που τη στηρίζουν» πραγματοποιήθηκε με αυτεπιστασία από την ΙΗ΄ Εφορεία Προϊστορικών και Κλασικών Αρχαιοτήτων Καβάλας κατά τα έτη 2003-2009.
