La storia dell'edificio, che contiene una delle collezioni di sculture, pittura, mosaici e bronzi più importanti al mondo, è lunga e avvincente.
Il viceré duca d'Ossuta ne iniziò la costruzione sull'allora deserta collina di S. Teresa per farne una caserma di cavalleria, ma l'operazione non sortì il risultato sperato causa di insufficiente approvvigionamento d'acqua. I lavori furono ripresi dal viceré conte di Lemos, che ne affidò la conduzione
all'architetto Domenico Fontana per adibirlo a Palazzo degli Studi (1616). L'edificio fu fino al 1777 sede dell'Università, nella quale insegnò tra l'altro Gianbattista Vico dal 1697 al 1701. La nascita del museo dell'antichità classica è legata alla figura di Carlo di Borbone.
Nel 1738 egli decise di edificare nella capitale del suo regno un museo; si pensò alla collina di Capodimonte come luogo in cui costruire l'edificio destinato a raccogliere le preziose collezioni farnesiane, ereditate dalla madre Elisabetta Farnese.
Proprio intorno al terzo e quarto decennio del secolo XVIII vennero alla luce i tesori di Ercolano, Pompei e Stabia, città sommerse dall'eruzione del Vesuvio del 79 d.C. Carlo di Borbone promosse gli scavi, che aumentarono il prestigio del Regno per quanto riguarda le scoperte archeologiche nella penisola.
La scoperta dei siti archeologici rese necessaria l'individuazione di un edificio in cui raccogliere l'infinità quantità di reperti rinvenuti che quotidianamente si rinvenivano negli scavi. In un primo momento si optò per il Palazzo di Portici; ben presto tuttavia sorse l'idea di riunire in un solo edificio il materiale archeologico e artistico custodito in quella regia, insieme con le raccolte farnesiane del museo di Capodimonte.
La destinazione ufficiale a Museo dell'edificio di Santa Teresa avvenne però ad opera di Ferdinando IV.
Gli architetti Fuga e Schiantarelli ne ordinarono una serie di restauri e modifiche dal 1780 al 1820. Nel 1817 si aggiunse la Collezione Borgia di Velletri, piccola ma importante raccolta di antichità egizie. Nel 1822 in una solenne cerimonia statue in marmo e in bronzo sfilarono su carri trainati da buoi da Portici al vecchio Palazzo degli Studi in presenza di una folla riunitasi per l'occasione.
Nel 1860 il museo diveniva proprietà dello Stato.