Al parecer, el Museo de Sitio de la Zona Arqueológica de Cholula fue inaugurado en 1945, antes de concluir formalmente la primera temporada de exploraciones arqueológicas en dicho lugar (1931-1956). El museo ocupa un inmueble moderno, el cual ha sufrido al paso de estos casi 70 años de existencia algunas transformaciones. En un primer momento, la maqueta de la Gran Pirámide de Cholula estaba ubicada en un plano superior y no incluía el Santuario de la Virgen de Los Remedios en su cúspide, aunque reproducía el perfil de las dimensiones y estilos arquitectónicos de lo que fue su última etapa. Al final de la segunda temporada de excavaciones (1967-1971) se agregó la segunda sala y modificó la maqueta, que se colocó ahora al fondo del foso de la primera sala y se le incorporaron el Santuario de Los Remedios y los patios del sector sur y poniente, explorados durante aquella temporada. Tal modificación implicó el retiro del perfil que simulaba la última etapa constructiva de la Gran Pirámide. Unos años después se añadió una tercera sala dedicada a las reproducciones de las pinturas murales de Cholula, pues las originales no están abiertas al público.

Durante 1997 experimentó una reestructuración museográfica y, en 2007, otra modificación, debido a que se sustituyó el mobiliario y parte de la colección, pero se mantuvo el guion de 1997, excepto porque se incorporó una parte dedicada al momento del contacto con los conquistadores españoles, contextualizado en una pieza fundamental del acervo: el facsímil de época pintado al óleo que reproduce una cara del denominado Códice de Cholula.

Con un guion organizado de manera cronológica en tres salas, este museo de sitio expone una colección básicamente arqueológica (en especial cerámica, lítica, hueso, concha) y en menor medida histórica (cerámica y óleo sobre tela). Cuenta con un cedulario en español e inglés. En 2015, toda la colección del Museo de Sitio de la Zona Arqueológica de Cholula, Puebla, compuesta por 265 fichas, fue inscrita en el Sistema único de Registro Público de Monumentos y Zonas Arqueológicos e Históricos.

El museo no cuenta con una infraestructura de servicios específica para este inmueble, sino que comparte los de la zona arqueológica de Cholula. En ese sentido se cuenta únicamente con los sanitarios del Módulo de Servicios al Público, ubicado a 30 metros del museo de sitio. Frente a este módulo, en el acceso al túnel de la Gran Pirámide, se ubica la taquilla principal de la zona arqueológica. La compra del boleto de acceso, o la acreditación en alguna de las categorías de acceso gratuito que establece la Ley Federal de Derechos, le da al visitante la oportunidad de visitar tres áreas de recorrido abierto al público: el museo de sitio, el túnel en el interior de la Gran Pirámide (280 metros lineales) y los patios ceremoniales del costado sur y poniente de la Gran Pirámide de Cholula. El museo no cuenta formalmente con estacionamiento para visitantes ni ofrece el servicio de visita guiada por parte del INAH. Los guías que ofrecen sus servicios en inglés y español han sido acreditados por la Secretaría de Turismo.