1998年11月至1999年1月，天津市考古部门对天津大直沽地区进行了考古发掘，发掘出天妃宫明清大殿基址和元代建筑基址，出土了大量金、元、明、清各时期的建筑构件和生活用品，并探明天妃宫遗址为天津市市内文化堆积最厚的遗存，较好地反映了金元以来天津城市历史文化演变发展的脉络，是研究天津古代历史、文化、艺术、科学极其重要的物质资料。2002年天妃宫遗址被公布为天津市文物保护单位，2006年被公布为全国重点文物保护单位。2017年元明清天妃宫遗址博物馆启动馆舍外立面修缮和展陈提升改造项目。新馆于2018年12月23日重新向公众开放。博物馆共设有考古天妃宫、天妃与天津两大基本陈列展厅。展览以实物、浮雕、场景、图片、壁画、蜡像、文献资料等内容重点展示了天妃宫遗址考古发掘和文物保护重要成果，突出表现了大直沽及天妃宫遗址在天津城市发展中的重要历史地位，以及天妃宫遗址在体现天津作为中国海上丝绸之路重要节点的历史见证和重要作用，再现了天妃宫遗址深厚的历史文化底蕴。为了增强展示效果，展览还增添了运河景观、智能讲解等内容，并通过动画、多功能互动屏等最新科技相结合的方式，对天妃宫遗址进行全方位展示和诠释。