Житомирский краеведческий музей берет начало от основанного в октября 1865 года музея при Российской публичной библиотеке в Житомире. Основу последнего составила частная коллекция местных горных пород и минералов волынского губернатора М. Черткова, подаренная библиотеке и выставленная ​​для экспонирования в день ее открытия.

В начале 1900-х гг. собрание этого заведения передали в новообразованный музей Общества Волыни. В развитии его деятельности и пополнении коллекций активное участие приняли известные ученые - члены общества, в частности его вице-председатель Павел Тутковский, энтомолог Антон Ксенжопольский.

С 1911 года музей известен как Волынский центральный музей. С 1914 года существует как самостоятельное заведение, первым его заведующим был С. Бржозовский.

После революционных событий 1917-21 гг музей пополнился за счет отдельных коллекций Волынского епархиального древнехранилища, памятников из национализированных частных собраний, в том числе баронов де Шодуар. В 1925 году музей получает новый статус и, соответственно, название - Волынский государственный научно-исследовательский музей, с 1950 года он известен под современным названием (Житомирский краеведческий музей).

Работники музея участвовали в археологических исследованиях на территории области. В 1929-1946 годах в работах по исследованию Райковецкого городища, организованных Институтом археологин АН Украины, принимали участие Житомирский и Бердичевский музеи. После закрытия Бердичевского краеведческого музея в 1954 году его коллекции переданы Житомирскому краеведческому музею.

На сегодня в фондах Житомирского областного краеведческого музея хранится более 160 тысяч экспонатов, которые дают всестороннее представление о природных особенностях, истории и культуре Житомирского края. Среди них - один из лучших в Украине естественных коллекций, в состав которой входит уникальное таксидермическое собрание фауны (коллекция чучел) Житомирщины, собранное краеведом-зоологом Всеволодом Бруховским. Среди самых ценных экспонатов музея - археологические материалы из раскопок Житомирской стоянки раннего палеолита, Радомышльской стоянки позднего палеолита, Райковецкого городища XII-XIII веков, этнографические памятники Житомирского Полесья, картинная галерея. В 1990-2000-е годы, уже при независимости Украины, в рамках музея созданы экспозиции, посвященные эпохе УНР и Голодомора в Украине 1932-33 годов.

Действующие стационарные выставки Житомирского областного краеведческого музея:

- Западноевропейская живопись XVI - нач. ХХ в. На выставке представлено искусство Италии (XVI-XVIII вв.), Голландии (XVII-XVIII вв.), Франции, Германии, Австрии, Швейцарии, Польши (кон. XVIII- нач. ХХ в.).
- Традиционное ткачество и вышивка Житомирщины конца ХIХ - ХХ вв. На выставке представлены подлинные предметы домашнего обихода, собранные работниками музея в разных селах.
- Природные коллекций Житомирского областного краеведческого музея. В залах выставки размещена часть уникальной зоологической коллекции.
- Наш край во время Украинской Народной Республики 1917-1921 гг. Выставка рассказывает о событиях Украинской революции 1917-1921 гг. на территории края. На ней представлены документы, фотографии, деньги, оружие, предметы быта периода того периода. А также часть экспозиции посвящена АТО.

В 2020 году на базе Житомирского областного краеведческого музея открылась выставка работ французского художника Сестеро де Лаутерекена.