Es uno de los museos más importantes de la capital mexicana. Abrió sus puertas el 12 de octubre de 1987 para resguardar los hallazgos resultado de las excavaciones arqueológicas realizadas por el Proyecto Templo Mayor en su primera temporada, entre 1978 y 1982, las cuales permitieron recuperar una colección de más de 7,000 objetos, así como los vestigios del Templo Mayor de Tenochtitlan y de algunos edificios aledaños. El proyecto museográfico original se basó en la distribución misma del Templo Mayor, en el cual se rendía culto a dos divinidades: Huitzilopochtli, dios solar de la guerra y patrono de los mexicas, cuya capilla se encontraba en el lado sur del edificio, y Tláloc, dios de la lluvia vinculado de manera directa con la agricultura, cuyo templo ocupaba el lado norte. Las cuatro primeras salas están dedicadas a Huitzilopochtli y en un sentido amplio a la guerra, mientras las cuatro últimas se ocupan de Tláloc, la agricultura y la explotación que hicieron los mexicas de los recursos naturales. Por esa misma razón, la fachada del actual museo tiene dos portadas.

Al recorrer el recinto el visitante conocerá la historia de los trabajos arqueológicos realizados en el sitio, cuyos descubrimientos van desde finales de la época virreinal hasta los realizados por el Programa de Arqueología Urbana; los rituales religiosos y el sacrificio; las muestras de los tributos que los mexicas imponían a las regiones conquistadas por ellos, así como su amplia red de comercio; los objetos relacionados con el dios Huitzilopochtli; el culto al dios Tláloc y las representaciones relacionadas con él; la flora y la fauna de la zona en tiempos prehispánicos; la práctica de la agricultura mediante el sistema de chinampas y la forma como ganaron terreno al lago y, finalmente, el Virreinato desde sus inicios hasta el siglo XIX, así como sus supervivencias en el siglo XX.