Muziejus įkurtas 1948 m. liepos 28 d. Pagrindinė Trakų kraštotyros muziejaus (taip jis tada vadinosi) funkcija buvo propaguoti sovietinės santvarkos laimėjimus. 1948 m. spalio 4 d. Trakų apskrities vykdomojo komiteto sprendimu naujai kuriamam muziejui perduotas buvusio Karaimų muziejaus pastatas (pradėtas statyti 1939 m.). Tačiau patalpas pirmame ir antrame aukštuose muziejus visiškai atgavo tik 1959 m., o rūsys muziejui perduotos tik po trejų metų. Nuo 1962 m. sausio iki gegužės muziejus vadinosi Trakų istoriniu muziejumi, o nuo 1962 m. gegužės iki 1965 m. gegužės 31 d. – Trakų muziejumi. 1965 m. gegužės 31 d. muziejus pavadintas Trakų istorijos muziejumi. Pirmasis muziejaus direktorius P. Vinevičius dirbo kelis mėnesius. 1949 m. kovo 1 d. direktoriumi paskirtas V.Šaulys aktyviai rūpinosi patalpomis, pradėjo rinkti eksponatus, suregistravo apskrities kultūros paminklus. Jam talkino V. Stanikūnas ( vėliau dirbęs Lietuvos liaudies buities muziejaus direktoriumi Rumšiškėse). Abu vyrai organizavo pirmąsias ekskursijas valtimis į Trakų salos pilį, išvykas į Vytauto gimtinę Senuosiuose Trakuose. Tačiau muziejaus darbuotojai buvo dažnai siunčiami į kaimą dėl bendrų apskrities ūkio reikalų: vykdyti žemės ūkio paruošų, kirsti miško. Neturėdamas tinkamų darbo sąlygų 1951 m. V. Šaulys iš savo pareigų pasitraukė.

1951–1954 m. muziejui vadovavo M. Goldbergaitė (Vand-Poliakienė), dirbo keli moksliniai darbuotojai, tarp jų – ir vyr. mokslinis bendradarbis M. Tinfavičius. 1952 m. pabaigoje atidaryta pirmoji muziejaus ekspozicija, tačiau ji neatitiko jokių muziejininkystės reikalavimų. Buvo eksponuojami laikraščiai, dokumentų kopijos, nuotraukos, gamyklų, fermų maketai, galvijų, daržovių, vaisių muliažai. 1954 m. rudenį muziejaus direktore paskirta Vilniaus universiteto auklėtinė Natalija Kovrigina (dabar Klimanskienė). Jai vadovaujant muziejus Trakuose ir jų apylinkėse organizavo archeologinius tyrimus, etnografines ekspedicijas. Į muziejaus fondus pateko Lietuvos mokslų akademijos Istorijos instituto darbuotojų vykdytų archeologinių kasinėjimų Trakų salos pilyje medžiaga. Muziejaus ekspozicija buvo pertvarkyta. Be socialistinės statybos, joje pirmą kartą pateikta medžiaga apie Trakų salos pilį, įrengtas archeologijos kampelis, organizuotos liaudies meno ir kitos parodos. Pirmosios inventorinės knygos įrašai liudija, kad muziejui buvo dovanojami eksponatai, randami apylinkėse vykdant žemės ūkio darbus, įvairūs buities rakandai. Pirmasis gaunamų eksponatų knygoje įrašytas eksponatas – įmovinis ieties antgalis, rastas 1933 metais, kasant rūsį Afindzevičių kaime Trakų rajone. 1957 m. pavasarį muziejuje vyr. moksline bendradarbe pradėjo dirbti Irena Čekanauskaitė. 1959 m. vasario 14 d. Irena Čekanauskaitė- Misiūnienė paskirta direktore ir vadovavo muziejui iki 1992 m. birželio 1 d.

1961 m. muziejui buvo perduoti restauruoti Trakų salos pilies centriniai rūmai. Nutarta įrengti pilyje ekspoziciją, kuri apimtų istoriją nuo seniausių laikų iki 1940 metų. 1962 m. ekspozicija Trakų salos pilyje buvo atidaryta. Ekspozicijoje atsispindėjo tarybinio laikmečio ekonomika, kultūra ir švietimas, LTSR lankytinos vietos, istoriniai – revoliuciniai, architektūriniai, gamtos ir meno paminklai, atidaryta skulptorių darbų paroda. O dviejose salėse pavyko įrengti „feodalinio laikotarpio“ ekspoziciją. 1969 m. atnaujintoje ekspozicijoje Lietuvos Didžiosios Kunigaikštystės tematika užėmė jau pusę jos ploto. 1965 m. birželio mėn. LTSR kultūros ministro įsakymu Kernavės muziejus tapo Trakų istorijos muziejaus filialu ir buvo juo iki 1989 m. 1967–1973 m. muziejaus padaliniu buvo ir Medininkų pilis, vėl muziejui perduota 2004 m. 1967 m. vasarą tuometiniame administracijos pastate ( Karaimų g.22) buvo atidaryta pirmoji karaimų etnografinė paroda, jos pagrindą sudarė S. Šapšalo sukauptos kolekcijos eksponatai. 1997 m. ši paroda atnaujinta minint karaimų ir totorių įsikūrimo Lietuvoje 600 metines. 1967 m. pradžioje muziejuje patvirtinta vyriausiojo fondų saugotojo pareigybė. 1970 m. įkurtas ikitarybinio laikotarpio istorijos skyrius. 1974 m. darbui su visuomene įkurtas masinio darbo sektorius, 1982 m. pavadintas Masinio darbo skyriumi, o šiandien – Ryšių su visuomene ir edukacijos skyrius. Be šio skyriaus, Trakų istorijos muziejuje veikia dar 8 skyriai: archeologijos, istorijos, karaimikos, Medininkų pilies, restauravimo, apsaugos, ūkio ir buhalterinės apskaitos. 1985 m. Trakų istorijos muziejui buvo perduotas buvusio dominikonų vienuolyno pastatas Trakų pusiasalio pilyje. 1989 m., baigus restauravimo darbus, į pirmąjį vienuolyno korpusą įsikėlė muziejaus administracija ir muziejininkai. 2000 m. restauruotas antrasis vienuolyno korpusas, ten įrengtos saugyklų patalpos, įsikūrė muziejaus biblioteka, fotolaboratorija bei restauracinės dirbtuvės. 2005 m. dominikonų vienuolyno koplyčioje atidaryta Sakralinio meno ekspozicija. Prasidėjus atgimimui Lietuvos Persitvarkymo Sąjūdžio iniciatyva Trakų salos pilies įvažiavimo bokšte buvo iškelta Lietuvos tautinė vėliava. Tarybinio laikotarpio ekspozicija salos pilyje buvo panaikinta, o jos vietoje 1989 metais įrengtos parodos „Respublika 1918–1940 metais“, „Trakų pilies restauravimo istorija“ ir „Žalgirio mūšis“. 1989 m. muziejų aplankė ir daugiausia lankytojų – 586 746 žmonės. Pastaraisiais metais muziejuje kasmet apsilanko per 300 tūkst. žmonių. Juntamas didesnis lankytojų antplūdis siejamas su Lietuvos įstojimu į Europos Sąjungą 2004 metais. 1992 m. restauruota 16 vakarinių kazematų salių ir jose įrengta nauja ekspozicija. Čia eksponuojamos muziejaus rinkinių kolekcijos. Muziejus yra sukaupęs nemažas pypkių, spaudų, porceliano, stiklo, baldų, medžioklės trofėjų, biserio dirbinių kolekcijas ir jas pristato lankytojams.

Nuo 1993 m. iki 2019 m. muziejaus direktoriumi buvo Virgilijus Poviliūnas. 1994 m. Trakų muziejus tapo Pilių ir muziejų aplink Baltijos jūrą asociacijos nariu. Muziejus bendradarbiauja su Lenkijos muziejais Brodnicoje, Malborke ir Olštyne, su Rainės muziejumi Vokietijoje, Rakverės muziejumi Estijoje, Lvovo etnografijos muziejumi Ukrainoje. 2006 metų vasarą pasirašyta bendradarbiavimo sutartis su Švabų Bario pilimi (Italija). Atkūrus Lietuvos nepriklausomybę dauguma valstybinių vizitų delegacijų aplanko Trakus. Salos pilyje lankėsi Danijos karalienė Margaretė II, Švedijos karalius Karlas Gustavas XVI ir karalienė Silvija, Belgijos karalius Albertas II ir karalienė Paola, Olandijos karalienė Beatričė, Albanijos, Bulgarijos, Estijos, Graikijos Kazachstano, Kinijos, Latvijos, Lenkijos, Makedonijos, Portugalijos, Rumunijos, Slovėnijos, Turkijos ir Uzbekijos prezidentai bei kiti garbūs svečiai. Minint Trakų istorijos muziejaus veiklos 60-metį salos pilies centriniuose rūmuose atnaujintos dvi ekspozicijos salės. Tai buvo tik pirmas ekspozicijos atnaujinimo etapas. 2009 m. atnaujintos dar trys centrinių rūmų ekspozicijos salės – jose galima pamatyti salos pilies restauravimo etapus bei plačiau susipažinti su karaimų ir totorių, šimtmečius Trakuose gyvenančių tautinių mažumų, istorija. Per 60 muziejaus veiklos metų sukaupta daugiau nei 290 tūkst. eksponatų. Kasmet muziejuje bendradarbiaujant su kitais muziejais ir kolekcininkais atidaromos naujos parodos iš muziejaus fondų, išleidžiami parodų katalogai. Muziejus organizuoja jau tradiciniais tapusius renginius ir šventes. Kasmet vieną gegužės vakarą Trakų istorijos muziejus, dalyvaujantis tarptautiniame projekte „Naktis muziejuje“, atveria duris lankytojams, kviesdamas į naktines ekskursijas po pilies menes, kur laukia istoriniai personažai, o pilies kieme kaunasi riteriai, smuklėje šurmuliuoja svečiai. Nuo 1999 m. kiekvieną birželį muziejus kviečia į kasmetę Viduramžių šventę Trakų pusiasalio pilies teritorijoje – kasmet ji sutraukia vis daugiau lankytojų ir šventės dalyvių. 2005 m. rugpjūtį salos pilyje pradėtos rengti Senųjų amatų dienos – jų metu atgimsta viduramžių gyvenimo scenos, amatai, muzika ir šokiai. Muziejaus darbuotojai, kultūros paveldo entuziastai, apsirengę savo siūtais viduramžių rūbais, įsirengę virtuvę, vaišina šventės svečius pagal senovinius receptus pagamintais valgiais ir gėrimais. Amatų meistrai kuria keramikos, metalo, juvelyrinius dirbinius, žolininkės moko pažinti gydomąsias žoleles ir vartojant jas atgauti jėgas ir išbandyti jaunystės eliksyrą. Bendradarbiaujant su nacionaliniu Operos ir baleto teatru Valstybės dieną skamba jau tradicine tampanti opera „Pilėnai“. Nuo 2019 m. muziejui vadovauja direktorė Alvyga Zmejevskienė.