Si le projet d'un Musée gallo-romain fut décidé en 1957 avec le déplacement des collections gallo-romaines du musée des Beaux Arts vers  le théâtre antique de Fourvière, l'actuel bâtiment - œuvre de l’architecte Bernard H. Zehrfuss - ne sortira de terre que dans  le milieu des années 70. Presque invisible de l’extérieur, le musée est doté d’une architecture résolument moderne qui contraste avec les ruines du théâtre  et de l'odéon. Ces vestiges témoignent de ce qui fût jadis le centre de la ville romaine de Lugdunum, fondée en 43 avant Jésus-Christ et dont le grand théâtre, bâti vers l’an 15 avant Jésus-Christ, est un des plus anciens de la Gaule.

Les collections  du musée, qui comportent des inscriptions, des statues, des mosaïques, des céramiques, des bijoux, qui témoignent de la vie publique et privée d’une capitale de l’Empire romain. Elles couvrent une large période historique puisqu'elles vont de la fin de la préhistoire au VIIe siècle après  Jésus-Christ.
 Elles sont considérées comme parmi les plus belles de France. On les découvre au gré d'un parcours qui descend en pente douce le long d’une spirale qui permet de descendre ou remonter le temps…

Outre l'exposition permanente, le musée propose également des expositions  temporaires et des activités pour tout public. Il organise aussi divers événements et animations : conférences, spectacles musicaux, théâtraux, chorégraphiques et autres, en lien avec les collections. Ces animations sont là à pour rythmer la vie du musée. De plus, le musée dispose d'une bibliothèque spécialisée en histoire et en archéologie gallo-romaines, rassemblant 4 000 titres. Ouverte aux étudiants et aux chercheurs, elle est également accessible à tous ceux qui sont intéressés par le thème de l'antiquité gallo-romaine.

Remarques : municipal au moment de sa création, le musée est géré depuis 1991 par le Conseil général du Rhône.