Tyrvään seudun Museo- ja kotiseutuyhdistys perusti Tyrvään seudun Museon samalla kertaa kuin itsensä: päätös tehtiin yhdistyksen perustavassa kokouksessa 3.9.1932.
Ajatus museon perustamisesta Tyrvään seudulle on kuitenkin vielä vanhempi. Tyrvään kirkkoherra Johannes Bäck oli jo 1890-luvulla tehnyt aloitteen museon perustamisesta Tyrvään vanhaan kirkkoon. Sammaljoen nuorisoseura aloitti 1920-luvulla museoesineiden keräämisenkin. Nämä suunnitelmat eivät kuitenkaan johtaneet museon perustamiseen, joskin nuorisoseuran keräämät esineet liitettiin myöhemmin Tyrvään seudun Museon kokoelmiin.
Museo avattiin yleisölle 6.7.1933 Marttilankadulla Tammisen makasiinissa, väliaikaiseksi tarkoitetussa vuokratilassa. Yhdistys keräsi varoja museorakennuksen rakennuttamiseksi, mutta sota-aika vei pohjan suunnitelmilta.
Pysyvät toimitilat museo sai 1950-luvulla, kun yhdistys osti seurakunnalta pappilan 1800-luvun lopussa rakennetun kivinavetan. Navetan tilat muutettiin museolle sopiviksi ja museo avattiin uusissa tiloissa 31.8.1958.
Vuodesta 1974 alkaen museota hallinnoi Vammalan kaupunki. Sastamalan kaupungin syntyessä 1.1.2009 myös museon nimi muuttui Sastamalan seudun museoksi. Vuonna 2012 Sastamalan seudun museo ja Suomalaisen kirjan museo Pukstaavi yhdistettiin yhdeksi hallinnolliseksi kokonaisuudeksi, jota hallinnoi Suomen kirjainstituutin säätiö. Sastamalan seudun museo jatkaa paikallishistoriallista museotoimintaa ja kokoelmat ovat edelleen Sastamalan kaupungin omistuksessa.
Keväällä 2017 museo muutti Kirjakorttelissa sijaitsevaan nikkarityyliseen Tornihuvilaan. Huvilan rakennutti apteekkari O. A. Bäckmanin ensimmäinen appi, rovasti Emil Teodor Gestrin, 1890-luvun alussa. Vuoden 2018 aikana museon kokoelmat siirrettiin kokoelmakeskukseen Stormin koulun vanhoihin tiloihin.
Museo ei tule koskaan valmiiksi – kokonaisuus elää jatkuvasti, jotta tulevaisuuden ihmisille voidaan kertoa heidän menneisyydestään.
