Музей по праву можно считать преемником традиций гуманизма, основы которых были заложены в конце XIX века первым сахалинским музеем, открытым в посту Александровском в 1896 году. Трудами немногочисленной интеллигенции, администрации сахалинской каторги были собраны этнографические, археологические, геологические, ботанические, зоологические и другие коллекции. С первым сахалинским музеем связаны имена известных российских этнографов Л. Я. Штернберга, Б. О. Пилсудского (в те годы ссыльных и каторжан) и других видных деятелей, внесших посильный вклад в изучение природы и населения острова.
У музея была сложная судьба, во многом созвучная политической истории Сахалина XX века. Во времена японской оккупации Сахалина многие коллекции были утрачены. О первом Сахалинском музее свидетельствуют лишь фотографии, хранящиеся в разных архивах.
После раздела Сахалина в 1905 году между Россией и Японией музейная деятельность возродилась на обеих частях острова. В 1932 году в советском Северном Сахалине, в городе Александровск-Сахалинский для посетителей вновь был открыт областной музей имени 15-летия Октябрьской революции. На Южном Сахалине в японском губернаторстве Карафуто также был основан музей.
В 1947 году была образована Сахалинская область. Начался новый этап развития Сахалинского областного музея. В 1953 году после закрытия Александровского городского музея все имеющиеся там коллекции передали на постоянное хранение в Сахалинский областной краеведческий музей. Таким образом, последний стал преемником и хранителем всех коллекций сахалинских музеев, существовавших прежде в островном крае.
В середине 1980-х годов начала складываться сеть филиалов музея в районах области.
К началу 2000 года было семь филиалов в районных центрах. В 2001 году филиалы музея были упразднены и обрели статус муниципальных музеев.
По состоянию на 2020 год в музее имелось свыше 200 000 экспонатов на различные темы.
