L’histoire du musée est liée aux recherches archéologiques menées sur Izernore et ses environs. Les vestiges imposants d’un temple antique, au nord-est de l’agglomération actuelle, ont attiré très tôt l’attention des érudits. Dès 1784, une fouille est organisée sur le monument. Les recherches archéologiques vont alors s’y succéder tout au long des 19e et 20e siècles.
L’intérêt se porte aussi, dès la fin du 18e siècle, sur les terrains alentours. Des thermes publics sont mis au jour plus au nord. Etienne-Joseph Carrier, agent voyer à Nantua, ouvre en 1863 des tranchées dans plusieurs parcelles de la commune. À la suite de ses découvertes, il dresse le premier plan d’ensemble de la ville gallo-romaine.
Au début du 20e siècle, Emile Chanel explore la villa de Pérignat située à la périphérie sud de l’agglomération. C’est à l’initiative de cet érudit que l’on doit la création, le 17 septembre 1911, du musée destiné à rassembler l’ensemble des découvertes réalisées sur Izernore. À ces dernières s’ajoutent le mobilier d’une villa, c'est-à-dire d'un domaine foncier comportant des bâtiments d'exploitation et d'habitation, mis au jour à Montréal-la-Cluse en 1905. Parallèlement à l’ouverture du musée, Emile Chanel entreprend d’importants travaux de restauration sur les vestiges du temple.
Dans les années 1960-70, Raymond Chevallier et Claude Lemaître reprennent l’étude du temple, des thermes et de la villa de Bussy fouillée anciennement. Ils engagent durant quelques étés des investigations sur  les terrains dits du « Lotissement communal » et de la future gendarmerie.
Après avoir déménagé plusieurs fois, les collections sont installées en 1982 dans la Maison Poisat. Rénovée en 2004, l’exposition permanente se dote d’une muséographie originale valorisant à la fois l’histoire antique et l’archéologie comme discipline scientifique.
Plusieurs diagnostics archéologiques ont été réalisés ces dernières années. En 2013, le site du temple a fait l’objet d’une intervention de l’INRAP, préalablement à des travaux de nettoyage et de consolidation.

Le musée se distingue par son parcours de visite s’organisant autour de deux grandes thématiques. Tout en remontant le temps à travers la présentation de témoins du passé, le visiteur est également invité à s’intéresser aux méthodes et techniques de l’archéologie et à ses acteurs. Une mise en situation des collections dans des reconstitutions d’ambiances liées à la vie de l’objet archéologique, nous plonge dans l’univers de la discipline. Du chantier de fouilles au laboratoire d’études, la scénographie s’efforce de coller au plus près de la démarche scientifique adoptée en archéologie afin que le public en saisisse les différentes étapes.

Les fouilles du temple ont livré des fragments de décors peints de grande qualité et pour certains d’entre eux très peu fréquents en Gaule. Plusieurs motifs complexes puisent en effet leur influence stylistique en Italie. L’utilisation du cinabre (pigment coûteux à l’époque en provenance d’Espagne) montre toute l’importance que devait avoir l’édifice pour la ville gallo-romaine.

La découverte en 1825 d’un doigt en bronze plein, près d’un des piliers du temple gallo-romain, a suscité de nombreux commentaires chez les érudits locaux. Beaucoup ont pensé que ce doigt devait appartenir à une statue de divinité honorée. Certains ont reconnu un majeur d’aspect féminin, d’autres la déesse Roma. Cet objet pourrait être plus simplement un fragment d’un objet plus petit, tel qu’une suspension de caisse de char.