Sua sede, originalmente localizada no palácio real, foi transferida em 1856 para o palácio da Universidade de Cagliari, após a doação das coleções feita a esta entidade pelo rei Carlo Felice. No início do século XX, o museu, em forte expansão, precisou de uma nova sede.
A inauguração da nova estrutura, situada na piazza Indipendenza e projetada por Dionigi Scano, ocorreu em 1904, com montagem cuidada por Antonio Taramelli, ilustre arqueólogo e superintendente de 1901 a 1931. Desde 1993, o museu, já enriquecido extraordinariamente pelas doações de particulares e pelos materiais provenientes das escavações, foi transferido para a atual sede prestigiosa na Cidadela dos Museus, estrutura cultural polivalente projetada pelos arquitetos Piero Gazzola e Libero Cecchini na área do Regio Arsenale do século XVIII.
O museu oferece a possibilidade de fazer um completo percurso temporal pela pré-história e história antiga da Sardenha através de um percurso expositivo estruturado em quatro andares. No subsolo estão expostos, segundo um critério cronológico-didático, artefatos que ilustram todas as fases culturais que se sucederam na ilha desde o Neolítico Antigo (cerca de 6000-4000 a.C.) até o Alto Médio-Âge (século VIII d.C.).
Nos outros andares, a exposição dos materiais segue um critério topográfico com a ilustração dos principais sítios arqueológicos presentes no território centro-sul da Sardenha. São destacados cinco momentos culturais fundamentais: a idade pré-nurágica, com artefatos do período Neolítico e Eneolítico (6000-1800 a.C.) e da primeira idade do Bronze (1800-1600 a.C.), o período nurágico, ilustrado por materiais que datam do Bronze Médio (1600-1300 a.C.) até a segunda idade do Ferro (600 a.C.), o período fenício-púnico (segunda metade do século VIII a.C.-238 a.C.), a era romana republicana e imperial (final do III século a.C.- primeira metade do IV século d.C.) e finalmente a era tardia romana e alto medieval (até os séculos VII-VIII d.C.).
