早在20世纪初，随着中东铁路开通，一批俄罗斯学者来到哈尔滨，并倡议建立博物馆。经过中国地方当局批准，首先成立了以中国地方官员为主的东省文物研究会，由东省铁路督办、博士王景春担任会长，将原莫斯科商场（现省博物馆主楼）改作研究会的陈列所，1923年6月12日，东省文物研究会陈列所在此成立并对外开放。
此后黑龙江省博物馆几经更名：1929年改称东省特别区研究会（陈列所）；1931年改称东省特别区文物研究所；1932年改称伪北满特别区文物研究所；1936年改称伪滨江省立文物研究所；1937年改称大陆科学院哈尔滨分院（博物馆）；1945年改称哈尔滨地志博物馆；1946年日本投降，俄国人接管，改称哈尔滨工业大学常设运输经济陈列馆；1950年改称哈尔滨工业大学科学研究所；1951年中国开始接管，改称松江省科学博物馆；1953年改称松江省博物馆；1954年随着松江省并入黑龙江省，松江省博物馆与黑龙江省博物馆筹备处合并，始称黑龙江省博物馆。1962年中国科学院院长郭沫若为该馆书写馆名。
1978年办公楼建成，建筑面积1168平方米，共分上下五层，为全馆主要办公区，文物照相室、文物修复室、剥制室、裱糊室、文物修复室、资料室等均设在办公楼内。
1983年藏品库房建成，建筑面积2949平方米，分上下五层，收藏着该馆所有馆藏文物标本和大量中、外文资料。
2006年9月30日，省委第104次常委会议决定“省市共建一座高质量、一流水平的博物馆”。同年10月份开始，由省文化厅牵头，省发改委、省财政厅、哈尔滨市政府等相关部门共同进行了省博物馆新馆的选址工作。哈尔滨市规划局、松北区政府、省国资委等单位对哈尔滨市各区和江北10余处可供开发的地点进行了考察、比较和协调，由哈尔滨工业大学建筑设计研究院编制出《黑龙江省博物馆新馆建设工程馆址选择报告》。根据报告的意向，经过省内知名、资深的文博、建筑、地质、规划、环保、国土资源等专家的论证，并认真听取了社会各界人士的征询意见后，最终将新馆址确定为哈尔滨市太阳岛月亮湾（省科技馆北侧）地区警备路与哈黑公路交汇处西北向，总占地面积为12.5万平方米，建筑面积近5万平方米。位于松北区月亮湾的新馆正在建设中，计划于2016年建成。
2015年下半年，成立了黑龙江省博物馆教育研究中心、黑龙江省可移动文物保护中心。
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