1988年（昭和63年）の第二次長野県総合計画を受け、1990年（平成2年）に建設基本構想骨子が決定した。1992年（平成4年）から建設が始まり、1994年（平成6年）11月3日（文化の日）に開館した。総合情報、考古資料、文献史料の3部門からなり、初の企画展として、「赤い土器のクニ 弥生時代の千曲川流域の土器」が開催された。
1998年以降から2000年代初期の頃は、2000年は『劇場版ポケットモンスター 結晶塔の帝王 ENTEI』、2001年は『千と千尋の神隠し』など、劇場用アニメ映画が日本映画の興行成績の上位をほぼ独占している。これらの作品からは『ポケットモンスター』等数多くのヒット作品が誕生し、日本国外でも大きく公開されるようになる。1999年にアメリカで公開された『劇場版ポケットモンスター ミュウツーの逆襲』（米題は"Pokemon: The First Movie"）は、日本映画としては初めて「全米ナンバー1ヒット」となり全米年間映画興行成績トップ20にランキング入りを果した。同シリーズは2作目の『劇場版ポケットモンスター 幻のポケモン ルギア爆誕』（2000年）も、興行収入4376万ドルを記録している。他にも『ドラえもん』『名探偵コナン』『ポケットモンスター』のファミリー向け長寿シリーズは安定期に入っており例年2、30億円規模の興行収入、週刊少年ジャンプの連載作品を原作としたアニメ『ONE PIECE』シリーズなども、平均20億円規模の興行収入を挙げている。また宮崎駿監督の『もののけ姫』（1997年）、『千と千尋の神隠し』（2001年）は2作続けて日本映画の興行成績の記録を更新し、またアカデミー賞でオスカーを受賞したり、ベルリン国際映画祭で金熊賞を受賞するなど世界的にも認められ、アニメーション映画は現在の日本映画を代表する存在となっている。日本のアニメーション映画はヨーロッパやアジア各国では次々にヒットを飛ばしているが、アメリカでは現在のところ、日本の劇場用アニメ映画が興行的に成功した例は少ない。日本映画の全米興行で空前のヒット作といわれた先述の『劇場版ポケットモンスター ミュウツーの逆襲』でもアメリカでの興行収入は8574万ドルであり、アメリカにおいて大ヒットの基準とされる興行収入1億ドルには及ばず、日本国内で最高の成績を記録している『千と千尋の神隠し』でも、アメリカでの興行収入は1006万ドルである。またアメリカでの日本アニメ映画は公開される数がまだまだ圧倒的に少ない上、1作あたりの公開される劇場数も、『ポケットモンスター』『遊☆戯☆王』などの例外を除き、一般的に少ない。一方で日本映画の全米展開として見た場合、アニメは実写や特撮と比較して規模が大きく、期待されるコンテンツ需要としての見方もある。実例として、実写作品では『ゴジラ2000 ミレニアム』（1999年）が唯一アメリカで1000万ドルの興行収入を果たした最高記録であるのに対して、アニメ映画は5作品がアメリカで1000万ドルを突破している。2002年に『Pia♥キャロットへようこそ!! -さやかの恋物語-』が公開された。これは史上初のアダルトゲームを原作とする劇場用アニメである。2004年には、押井守（『イノセンス』）、大友克洋（『スチームボーイ』）、宮崎駿（『ハウルの動く城』）と巨匠たちの作品が続いた。また、『APPLESEED』が公開前から続篇製作が決定するなど全体的に話題の多い年であった。ただ、このいずれの作品も国内のアニメ賞を獲得することは出来ず、その年の文化庁メディア芸術祭大賞作は『マインド・ゲーム』であった。さらに『ドラえもん』、『名探偵コナン』、『クレヨンしんちゃん』、『アンパンマン』の作品がこぞってセル画制作を終了。翌2003年から一斉にデジタル制作に移行した（なお『ポケットモンスター』は2002年からデジタル制作に移行済み）。2005年に『ドラえもん』のレギュラー声優陣が交代し、2006年に『大長編ドラえもん』の映画史上初のリメイク映画『のび太の恐竜2006』が公開された。2008年に『ドラえもん映画』のリメイクでない初のオリジナル作品『のび太と緑の巨人伝』も公開された。近年の『ドラえもん映画』は、新作と過去作のリメイク作品が交互に公開されている。2007年に、1995年にTVアニメで放送された『新世紀エヴァンゲリオン』の再構築作品である、『ヱヴァンゲリヲン新劇場版:序』が上映された。製作方式や宣伝活動が自主制作映画のそれに近く、興行形態は単館系中心のものであったが、初日上映84館からのスタートで週間興行ランキングで1位を獲得している（スクリーン数100以下の映画では史上初）。2008年には蛙男商会初の劇場最新作『秘密結社鷹の爪 THE MOVIE 総統は二度死ぬ』がNY国際インデペンデント映画祭で、アニメーション部門 最優秀賞作品と国際アニメーション 最優秀監督賞の2部門を受賞した。2007年、アニメーション制作会社 ufotable により、当時としては珍しい全7章という形式で『空の境界』が制作された。当初、東京都にあるテアトル新宿にてレイトショーのみの公開だったが、連日立ち見が出るほどの集客となったため、モーニングショー枠などを設定して上映回数を増やし、テアトルダイヤ等全国8か所の映画館でも上映されることとなった。最終的に、全7章の観客動員数は約26万2000人、累計興行収入は約3.6億円、累計DVD出荷枚数は75万枚以上を記録。BD BOXは BD ランキングで総合2位、アニメ部門では首位にランクイン。2013年9月までに、BD・DVDなどの関連商品の売り上げ100万枚以上を記録した。最終的には、2013年までに全10章が制作された。2009年に公開された『ONE PIECE FILM STRONG WORLD』は、漫画原作の劇場用アニメ映画として最高の興行収入を記録。シリーズでは初めて原作者が監修・製作総指揮を務めたことから、原作ファンの関心を集めた。さらに入場者特典に作者書き下ろしの限定コミックが配布されたことも大きな話題となった。テレビアニメで人気を博した作品が映画化されるのは現在も主流だが、『ラーゼフォン 多元変奏曲』（2003年）、『劇場版 灼眼のシャナ』（2007年）のようにメディアミックスの一環として映画化される作品も現れている。