ตั้งอยู่ในบริเวณองค์พร ะปฐมเจดีย์ด้านทิศใต้เป็นอาคารทรงไทยประยุกต์ 2 ชั้น  โบราณวัตถุที่รวบรวมได้ในระยะแรกได้ถูกนำมาเก็บรักษาไว้ที่ระเบียงคตรอบองค์พระปฐมเจดีย์ กระทั่ง พ.ศ. 2454  จึงได้ย้ายไปไว้ในวิหารตรงข้ามพระอุโบสถ ซึ่งต่อมาเรียกว่า พระปฐมเจดีย์พิพิธภัณฑสถาน ( ปัจจุบันยังคงเป็นพิพิธภัณฑสถานในความดูแลของวัดพระปฐมเจดีย์) พ.ศ. 2477 ได้ยกฐานะเป็นพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติในความดูแลของกรมศิลปากร  และเมื่อจำนวนโบราณวัตถุเพิ่มมากขึ้น อาคารหลังเดิมคับแคบ ต่อมาในปี พ.ศ. 2510 กรมศิลปากรได้รับงบประมาณให้สร้างอาคารพิ พิธภัณฑสถานหลังปัจจุบันขึ้น และเคลื่อนย้ายโบราณวัตถุจากหลังเดิมมาจัดแสดงไว้ที่นี่  โดยโบราณวัตถุส่วนใหญ่เป็นหลักฐานในวัฒนธรรมทวารวดี (พุทธศตวรรษที่ 12-16)  การจัดแสดงแบ่งออกเป็น 3 ส่วน ดังนี้
           ส่วนที่ 1 แนะนำลักษณะทั่วไปของจังหวัดนครปฐม ประวัติความเป็นมาของดินแดนแห่งนี้  การตั้งถิ่นฐานของชุมชนก่อนประวัติศาสตร์  การติดต่อรับพุทธศาสนาและวัฒนธรรมจากอินเดียเข้ามาผสมผสานกับค วามเชื่อและวัฒนธรรมท้องถิ่น ภาพปูนปั้นรูปชาวต่างประเทศ  ศิลาจารึกที่พบบริเวณเมืองโบราณนครปฐม  
         ส่วนที่ 2 เสนอเรื่องราวด้านศาสนาและความเชื่อของชุมชนทวารวดีที่นครปฐมสะท้อนผ่านงานศิลปกรรมประเภทต่างๆ  โบราณวัตถุที่จัดแสดงในส่วนนี้ประกอบด้วย ชิ้นส่วนสถาปัตยกรรมและประติมากรรมประเภทต่างๆ เช่น พระพ ุทธรูป ภาพสลักเล่าเรื่องพุทธประวัติ ภาพปูนปั้นเรื่องชาดกประดับฐานเจดีย์และธรรมจักร 
         ส่วนที่ 3  เรื่องราวของนครปฐมหลังความรุ่งเรืองสมัยทวารวดี จนถึงสมัยที่พระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวฯ โปรดเกล้าให้ปฏิสังขรณ์องค์พระปฐมเจดีย์และเป็นงานสำคัญที่สืบเนื่องต่อมาในรัชกาลพระบาทสมเด็จ พระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ซึ่งเป็นช่วงที่นครปฐมได้รับการยกฐานะขึ้นเป็นมณฑลนครชัยศรี  และในสมัยพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว โปรดเกล้าฯให้ก่อสร้างพระราชวังสนามจันทร์ขึ้น เมืองนครปฐมได้รับการพัฒนาเรื่อยมา
สอบถามเพิ่มเติมได้ที่ โทร. 0 3427 0300, 0 3424 2500 โทรสาร 0 3424 2500 พิพิธภัณฑ์เปิดให้บริการทุกวัน ระหว่างเวลา 09.00-16.00 น. ค่าเข้าชมชาวไทย 20 บาท ชาวต่างประเทศ 100 บาท