博物馆的前身是1981年成立的灌云县图书馆文物办公室，主要藏品为县文化馆移交的文物。1985、1986年在大伊山遗址出土了150余件石、骨、陶、玉器文物。在此基础上，灌云县政府于1985年5月29日正式行文成立了“灌云县博物馆”，馆址设在县图书馆一楼，当时属苏北第一家县级博物馆。 1988年被公布为 “连云港市青少年爱国主义教育基地”。2008年县政府筹建博物馆新馆，2009年5月正式开工建设。新馆占地面积18亩，建筑面积6500平方米，馆舍为局部三层的古典园林式建筑，累计投入4000余万元。2011年5月建成投入使用。 新博物馆拥有约3000平方米的展陈面积，共设有7个展厅，分别为序厅、远古流长厅、历朝遗风厅、古代字画厅、 灌云民俗文化厅、灌云人民革命史厅和临时展厅。 2015年，灌云县博物馆还被评为国家级、省级、市级社科普及示范基地，市级爱国主义教育基地，市级社科普及先进单位。2016年分别被评为县级文明单位和市级文明单位。2017年江苏省社科普及示范基地通过复检挂牌。2018年被评为市级文明单位。2020年被评为全市旅游十大名馆。2021年评为江苏省文化和旅游系统先进集体。2022年被评为江苏最美公共文化空间、连云港市文明单位。2023年被评为全国弘扬老区精神传承红色基因示范基地、长三角最美公共文化空间。