1937 yılında Millî Savunma Bakanlığı tarafından Kışla binası olarak yapılan ve askeri amaçlı olarak kullanılan yapı, 1949 yılında Millî Savunma Bakanlığı’ndan Maliye Bakanlığı’na memur lojmanları olarak kullanılması amaçlı devredildi. 1990’lı yıllara kadar da memur lojmanları olarak kullanılan olan yapının, müze olması için çalışmalar başladı. Ancak, bu yapı, 1990’lı yıllardan 2015 yılına kadar yoksul ve kimsesizlerin barınması amaçlı kullanıldı. 2015 yılında Tunceli Müzesi olarak kullanılması amaçlı Kültür ve Turizm Bakanlığı’na devredildi. Günümüzde müze binası olarak kullanılan yapı, Erken Cumhuriyet Dönemi yapısı olması sebebiyle 2005 yılında Erzurum Kültür ve Tabiat Varlıklarını Koruma Kurulu tarafından II. Grup idari yapı olarak tescillendi.

Müze Binası yaklaşık 5800 metrekaresi kapalı, 1800metrekaresi ise açık alandan (avlu) oluşan kare planlı bir yapıdır. Ortasında avlusu olan müze binasının dört tarafında iki ve üç katlı birimler yer almaktadır. Bunlardan kuzey yönde olan üç katlı, diğerleri ise iki katlıdır.

Tunceli ve çevresi az sayıda arkeolojik ve tarihi araştırmanın yapılmış olduğu bir kent olmakla birlikte yine de az sayıda yapılan çalışmalara karşın bölgenin Paleolitik Çağ’dan günümüze kadar neredeyse kesintisiz yaşamın olduğu önemli bir yerleşim merkezidir. Özellikle su kaynaklarının bolluğu bölgede yaşamın her dönemde olması için gerekli doğal olanakları sunmuştur. Arkeolojik kazı çalışmaları sonucunda Çemişgezek ilçesi, Pulur/Sakyol Höyüğü, özellikle Kalkolitik ve Tunç Çağları buluntularıyla bölgenin önemli arkeolojik değerlerindendir. Müzede sergilenen Kalkolitik ve Tunç Çağları’na ait kazıdaki mekanların benzer replikaları ile kazılarda bulunan çanak-çömlek, ocak, metal nesneler ve dokumacılık gibi çoğunlukla günlük yaşama özgü buluntular dönemin yaşam koşullarını gözler önüne serer biçimde ziyaretçilere sunulmaktadır. Ayrıca, Tunceli çevresinde tespit edilmiş olan Demir Çağı, Hellenistik, Roma ve Bizans dönemleri ile Selçuklu ve Osmanlı medeniyetlerine ait çeşitli dönem bulguları da müzenin teşhirinde yer alır. Elâzığ Müzesi’nden Tunceli yöresine ait yaklaşık 1500 adet eser, Tunceli Müzesi’ne sergilenmesi amacıyla gönderilmiş olup toplamda yaklaşık 1600 eser, Tunceli Müzesi’nde sergilenmektedir.

Müze Binası’nda arkeolojik eserler yanı sıra etnografik değeri olan eserler de sergilenmektedir. Özellikle bölge kültürünün tarih boyunca en önemli değerlerinden olan Alevilik ile ilgili bilgi alınabilecek sergi alanları oldukça dikkat çekicidir. Bu yönüyle de kültürel olarak geçmişten günümüze hem soyut hem de somut tüm değerlerini bir arada sunan son yıllarda yapılmış en dikkat çekici müzelerden biridir. Müzenin sergi alanları dışında bölgeye özgü hediyelik eşya alabilecekleri satış bölümü, yeme-içme ve dinlenmek amaçlı kafesi gibi farklı mekanları da bulunmaktadır. Ayrıca, bölgenin şüphesiz önemli eksiklerinden biri olan bir araştırma kütüphanesi de müze birimi içerisinde yer almaktadır. Bu kütüphane, özellikle bölge üzerine araştırma yapacak olan akademisyen ve araştırmacıların çalışmasına yönelik de oluşturulmuştur.