Origine des collections
L’histoire des collections du musée est étroitement liée à celle de l’Institut Archéologique du Luxembourg. Le 2 septembre 1846, la Députation permanente de la Province de Luxembourg prit un arrêté qui fonda une Société pour la recherche et la conservation des monuments historiques, archéologiques et des œuvres d’art (approuvé le 21 avril 1847). La société fut installée à Arlon à l’initiative du Gouverneur le 16 août 1847. Des démarches furent alors entreprises pour rassembler des collections reflétant l’ensemble du patrimoine provincial, par des achats et des dons. Lors de la création de la société, ses statuts stipulaient en outre que les objets dont elle obtiendrait la disposition formeraient un musée provincial. Depuis 1934, le musée est installé à la rue des Martyrs, dans le bâtiment anciennement dénommé "Maison Garnier".
Si le musée conserve depuis lors des vestiges découverts sur l'ensemble du territoire de la province de Luxembourg, la majorité des collections est de provenance arlonaise. La ville d'Arlon est en effet située au croisement de deux chaussées romaines importantes (la Reims-Trèves et la Metz-Tongres) qui ont permis à l'agglomération antique (Orolaunum vicus) de connaître une certaine prospérité durant les trois premiers siècles de notre ère. Les premières découvertes réalisées à Arlon remontent au XVIIe siècle, lorsque le rempart de l'Antiquité fut démantelé et que ses fondations révélèrent le réemploi de fragments de monuments funéraires. Si une partie des blocs sculptés furent à l'époque envoyés au grand-duché de Luxembourg, la majorité furent heureusement conservés à Arlon.
Au cours du XIXe siècle, les trouvailles se sont mutlipliées dans le centre-ville au cours de divers travaux de démolition et de construction. Celles-ci ont été rassemblées au musée. Au début du XXe siècle, on mit au jour la plus importante nécropole du vicus, le "Hochgericht", dont une partie des objets découverts dans les sépultures furent cédés au musée par des collectionneurs.
Dans les années 1930 eurent lieu les premières recherches systématiques. En 1936, on découvrit une seconde nécropole, la "Spetz" implantée le long de la voirie Arlon-Trèves. Entre 1963 et 1967, c'est une portion du rempart qui livra une centaine de blocs sculptés.
Les recherches se sont ensuite raréfiées, jusqu'au début des années 2000 lorsque le Service Public de Wallonie entreprit une série de fouilles préventives dans le quartier artisanal du vicus. C'est alors tout un pan de la vie de l'agglomération antique, jusque là inconnu, qui fut dévoilé : les habitats et les activités artisanales. Une partie des objets découverts lors de ces campagnes a été mis en dépôt au musée en 2018.
Plus de 40 autres sites archéologiques (nécropoles, sites d'habitats et de cultes) situés sur le territoire de la province de Luxembourg sont conservés et/ou exposés dans le musée