Marmaris Arkeoloji Müzesi, tarihi bir mekânda Marmaris Kalesi'nde hizmet vermektedir.

Herodotos, Marmaris'te ilk surların, M.Ö. III. binde yapıldığını yazmıştır. Bu dönemde bir Karia kenti olan Physkos (Marmaris), bu gün olduğu gibi Ege Denizi ve Akdeniz arasında bir geçiş noktasıdır. Kentin limanı Rodos ve Mısır'a açılan ticaret yollarıyla çağlar boyunca önemini korumuştur. 19. yüzyıl araştırmacısı Charles Texier eserinde; kalıntıları Fineks Dağları'nda bulunan Physkos Körfezi'ne hakim bir kaleden söz etmiştir. M.Ö. 334 yılında, Marmaris'i işgal eden Büyük İskender'in stratejik öneminden ötürü kaleyi onarttığı bilinmektedir.
 

Yat Limanı arkasında yüksek bir noktada yer alan Marmaris Kalesi'nin yapımından söz eden tek yazılı kaynak, Evliya Çelebi'nin Seyahatnamesidir. 17. yüzyılda Muğla çevresini gezen Evliya Çelebi, Kanuni Sultan Süleyman'ın Rodos Seferi öncesinde, kalenin yaptırılması için emir verdiğinden ve kalenin sefer sırasında askeri üs olarak kullanıldığından söz etmektedir. Kaynakta, kalenin ana kaya üzerine dört tabyalı olarak inşa edildiği, düzgün taşlardan örülmüş 400 ayak duvarı olduğu, giriş kapısı üstünde bir kitabe, içerde dizdar, imam, kayyum ve nöbetçiler için birer oda bulunduğu söylenmektedir. Diğer bir tarih yazarı, Celaloğlu Mustafa'nın Kanuni Sultan Süleyman ve ordusunun Marmaris günlerini, Rodos Seferi'ni ve İstanbul'a dönüşlerini anlattığı eserinde, kaleden hiç söz edilmemektedir.

"Bahriye Kitabı"nı yazan Piri Reis ise, Marmaris Limanı'nı ayrıntılarıyla anlattığı eserinde ve çizdiği haritada Marmaris Kalesi'ne yer vermemektedir. Piri Reis'in Akdeniz'deki diğer kaleleri çizdiği ve kitabı için notlar aldığı 1494-1520 yılları arasında, Marmaris'te limanda bir kalenin varlığı kaydedilmemiştir.

Bu bilgiler ışığında, Marmaris Kalesi'nin yapım tarihine ilişkin bir başka görüş daha vardır. Buna göre, 1520 yılında tahta çıkan Kanuni Sultan Süleyman, Rodos Seferi dönüşünde kalenin yapılmasını istemiştir. Kaleye çıkılan dar ve basamaklı sokağın girişinde Hafıza Sultan Kervansarayı yer almaktadır. Dikdörtgen planlı kervansarayın, yedi küçük ve bir büyük odası vardır ve üzeri kemerlerle örtülmüştür. Kale ile çağdaş bu yapının girişinde bulunan yazıtta, 1545 tarihi okunmaktadır. Bu tarih, kale ve hanın sefer sonrasında, aynı zamanda inşa edildiği görüşünü güçlendirmektedir.

Kalenin önemli bir kısmı, Birinci Dünya Savaşı sırasında, 1914 yılında bir Fransız savaş gemisinin top atışları ile yıkılmıştır. Cumhuriyet öncesinden başlayarak yakın tarihe kadar, içi Marmarisliler tarafından iskân edilen kalede, 18 konut, bir çeşme ve bir sarnıcın bulunduğu bilinmektedir.

Marmaris Kalesi 1980-1990 yılları arasında, restore edilmiş ve 1991 yılında Marmaris Müzesi olarak hizmete açılmıştır.