طرح موزه به سال ۱۳۵۶ یعنی یکسال پیش از انقالاب اسلامی بر می‌گردد. ابتدا تصمیم بر اختصاص قطعه زمینی در پارک آریامهر (ملت فعلی) بود که به دلیل عدم هماهنگی عملاً امکان تحویل زمین و آغاز عملیات اجرایی صورت نگرفت. انقلاب ۱۳۵۷ و جنگ ایران و عراق اجرای طرح موزه را به تعویق انداخت و در سال‌های ۱۳۷۱ و ۱۳۷۲ با تلاش مدیر وقت سازمان میراث فرهنگی خراسان احداث موزه در صدر برنامه‌های عمرانی قرار گرفت. در سال ۱۳۷۵ قرار شد طراحی موزه خراسان به مسابقه گذاشته و داورانی برای این مسابقه تعیین گردد. پس از تخصیص زمین در منطقه کوهسنگی مشهد، در سال ۱۳۸۲ عملیات اجرایی آغاز و در بهمن سال ۱۳۹۳ پایان یافت.