Museum grundlagt i 1992 og åbnet 1. januar 1993 under navnet Århus Bymuseum. Museet var fra 1998 statsanerkendt og formidlede historien om byens og oplandets udvikling, dvs. hvordan Aarhus er vokset fra den lille bebyggelse i vikingetiden til nutidens storby. Museet havde til huse på adressen Carl Blochs Gade 28 i Aarhus, som tidligere havde rummet Hammelbanens aarhusianske stationsbygning. Århus Bymuseums egne samlinger bestod fortrinsvis af materiale fra perioden efter 1850, og udstillingerne havde præg af skiftende særudstillinger frem for permanente udstillinger.

I 2004 besluttede Aarhus Byråd at omdøbe museet til Bymuseet. I 2008 blev Bymuseet fusioneret med Besættelsesmuseet i Aarhus, dog således at begge museer opretholdt selvstændige museumsbygninger og -udstillinger. I 2010 blev det besluttet, at Bymuseet skulle flytte til Den Gamle By, hvilket blev gennemført i sensommeren 2011.

Ved siden af museumsvirksomheden opbyggede Bymuseet et arkiv med Aarhus-relaterede arkivalier. Efter Bymuseets nedlæggelse blev museumsgenstande og arkiv overdraget til Den Gamle By, som i 2012 overdrog Bymuseets arkiv til Aarhus Stadsarkiv.