Este museo de sitio abrió sus puertas el 15 de diciembre de 2011, después de nueve años de exploración arqueológica y de tratamientos de conservación. Se ubica en el antiguo convento de la Santa Cruz de Santiago Tlatelolco, detrás de la zona arqueológica. Consta de dos niveles: en el primero se exhibe la pintura mural y se describen los trabajos de excavación, mientras que en el segundo se muestra una selección de las piezas arqueológicas que formaron parte de la ofrenda colocada durante la clausura de la Caja de Agua. Entre ellas sobresale la vasija Tláloc, elaborada en madera.

La importancia de la Caja de Agua (pila o receptáculo de agua potable en constante movimiento) reside en que sus paredes se encontraban cubiertas de pinturas que retrataban la vida cotidiana de los habitantes de los lagos de la cuenca de México durante el siglo XVI, es decir, ya bajo el dominio español, de lo cual quedan vestigios. Se trata del mural novohispano más antiguo del país, pues data de 1536, el cual  fue descubierto en 2002. Gracias al minucioso trabajo de restauración fue posible ensamblar cerca de 50 mil fragmentos de pintura —aproximadamente 16 m²— en los que quedaron plasmados aspectos de la vida de los pueblos indígenas que se asentaron en los islotes de Tenochtitlan y Tlatelolco, así como símbolos religiosos de los albores de la Nueva España. Se presume que la caja de agua se construyó inmediatamente después de la caída de los mexicas y que se inauguró a la par del Imperial Colegio de la Santa Cruz de Santiago Tlatelolco, primer centro de estudios superiores para indígenas. El agua ingresaba en ella y luego continuaba su recorrido hacia el Tecpan o palacio para abastecer a sus ocupantes y regar las huertas reales.