Le musée des Beaux-arts de Chartres, créé le 15 mai 1833, a pour origine les collections rassemblées par une société savante locale. Le capitaine François de Villiers propose en 1832 la création d'un "cabinet de curiosités" réunissant le fonds de la bibliothèque publique de Chartres et ses collections personnelles. Ce  premier musée est alors installé dans l'une des salles de l'hôtel de ville qui est ouverte au public le 18 mai 1834. 

Les collections du musée sont, au cours du XIXème siècle, enrichies par de nombreux dons et legs. Parmi les généreux donateurs, nous pouvons citer M. Marchand père, M. Vintant (600 médailles) en 1852, l'abbé Calluet (collection archéologique) en 1863, de M. Layé (armes, médailles, dessins et bronzes) et de M. Prévôteau en 1867. 

L'Etat participe également  à l'accroissement des collections par l'envoi d'oeuvres importantes, en  majorité des tableaux provenant des collections du Louvre.

Les locaux devenus trop exigus, la mairie de Chartres décide la construction d'une aile annexe, achevée en 1874. Le problème d'espace n'est que provisoirement réglé, car la commission des conservateurs mène une audacieuse politique d'acquisitions (achat  de la Sainte Lucie de Zurbaran en 1876). A cette époque, les dons majeurs continuent d'affluer : legs de Mlle Duchon (collection de céramiques), legs  de M. Courtois (collections de peintures et dessins), legs de M. Noël Ballay ancien gouverneur de l'Afrique Occidentale Française et don de M. Narcisse Maugin (pièces orientales).

Dès le début du XXème s. le manque de place devient un problème crucial et un déménagement vers un nouveau lieu est évoqué. Le transfert des collections du musée municipal vers l'ancien palais épiscopal, propriété du département, est envisagé dès 1908. Après les travaux, l'installation du musée dans son nouvel écrin commence en 1938 et l'inauguration a lieu en présence de Georges Huismans, directeur général des Beaux-Arts, le 9 juin 1939. 

Après la deuxième Guerre mondiale, la Société Archéologique d'Eure-et-Loir fait don au musée de ses collections. 

En 1967, les collections d'histoire naturelle sont transférées dans le nouveau Muséum créé par la ville deux ans plutôt. Au cours des années 1970 deux legs primordiaux entrent au musée, le fonds d'atelier du sculpteur Henri Navarre et le fonds ethnographique de Louis-Joseph Bouge, ancien Gouverneur des colonies, membre de la Société des Océanistes. L'arrivée de ces legs coïncide avec l'agrandissement du musée au début des années 1980 sans pour autant régler définitivement le problème des espaces d'exposition et de réserve. 

L'enrichissement des collections se poursuit à l'époque contemporaine. Citons pour les plus récents : l'acquisition d'un fonds important d'oeuvres du mouvement « Figuration Narrative », l'enrichissement de la collection Maurice de Vlaminck par le don de la petite fille à la poupée et Fleurs dans un vase blanc et d'une fontaine peinte par l'artiste, l'acquisition du Portrait de Solange et du tableau de Chaïm Soutine, Les escaliers de Chartres.