Edificato tra il 1971 e il 1973 e aperto al pubblico nel 1984, il Museo sorge nell'area archeologica di Turris Libisonis, la città romana sulla quale è stata costruita Porto Torres.

La denominazione Antiquarium vuole sottolineare che l'esposizione è incentrata sugli oggetti provenienti dalla città di età romana, Colonia Iulia, l'unica a possedere un porto nel nord-ovest della Sardegna che aveva stabilito rapporti diretti con l'antico porto di Ostia.

L'edificio è stato sottoposto ad interventi di manutenzione straordinaria già dagli anni ottanta del XX secolo e ad opere di ampliamento nella sezione meridionale del pianterreno. Di questi ultimi lavori sono visibili all'interno le strutture pertinenti un impianto termale della città, in particolare un ambiente con i pilastrini di sostegno del pavimento riscaldato.

L'Antiquarium, attiguo all'area archeologica detta Palazzo di Re Barbaro, espone i reperti archeologici provenienti dagli scavi della città romana: ceramiche d'uso, utensili vari, ma anche statue onorarie del I e III sec. d.C., are votive, iscrizioni, urne cinerarie, mosaici e intonaci affrescati che testimoniano la vitalità di una città commerciale.

L'area del Palazzo di Re Barbaro ha restituito inoltre: un altorilievo rappresentante Cautopates, frammenti di statue e lastre iscritte, tubi fittili e plumbei usati come condutture idriche.

Completano il quadro insediativo i corredi funerari provenienti da diverse necropoli, come quella occidentale costituita da sepolture alla cappuccina e a cassone e da ipogei decorati con motivi pittorici e plastici, o dalle necropoli di Monte Angellu, Tanca Borgona e Scoglio Lungo.

Nell'Antiquarium è esposta anche una collezione comunale costituita da reperti databili dall'età nuragica alla tarda età imperiale.
La vicina area archeologica si estende fino alla riva destra del Rio Mannu, dove è conservato il ponte costruito agli inizi del I secolo d.c., eccezionale opera di ingegneria, e comprende una serie di impianti termali e abitazioni ricche di mosaici policromi e figurati.

Il Museo espone numerosi e interessanti reperti provenienti dagli scavi della adiacente area archeologica di Turris Libisonis, antica colonia romana. Ospita anche una prestigiosa collezione che documenta i fecondi rapporti tra la Sardegna e le regioni del bacino del Mediterraneo centrale, occidentale e dell'Egeo.