Powiększające się z każdym rokiem zbiory zabytków pradziejowych Towarzystwa gromadzono początkowo w kilku pomieszczeniach na parterze Biblioteki Raczyńskich, udostępnionych w tym celu przez Rogera hr. Raczyńskiego. W 1870 r., gdy niemieckie kuratorium wypowiedziało Towarzystwu zajmowane lokale, zabytki przeniesiono do Gmachu Spółki Bazarowej. W trakcie przenosin część z nich uległa niestety zdekompletowaniu. Pewną część zbiorów archeologicznych wysłano do Muzeum Polskiego w Rapperswil oraz do Gabinetu Archeologicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie, skąd już nie powróciły.
Nowa siedziba Towarzystwa, którą był dom nabyty przez Seweryna Mielżyńskiego w 1871 r. przy ówczesnej ulicy Młyńskiej 26 (obecnie Mielżyńskiego), też nie stwarzała dobrych warunków dla właściwego przechowywania i ekspozycji zbiorów. Przyjęto więc opracowany przez Zygmunta Gorgolewskiego plan jej rozbudowy.
W 1874 r. dzięki pomocy Józefa Mielżyńskiego rozpoczęto, po licznych perturbacjach, budowę nowego gmachu (obecne lewe skrzydło gmachu PTPN). W grudniu tego samego roku budynek stały już mury budynku, choć jeszcze bez dachu. Najwięcej czasu, bo blisko 8 lat trwało jednak jego wykończenie.
W uznaniu ogromnego wkładu hrabiów Mielżyńskich w rozwój Muzeum Starożytności Polskich i Słowiańskich Wielkiego Księstwa Poznańskiego, w 1882 r. przemianowano je na Muzeum im. Mielżyńskich. W tym samym roku została w nim zorganizowana pierwsza wystawa stała otwarta dla szerokiej publiczności.
Wraz z upływem lat i dalszym, systematycznym gromadzeniem się zbiorów, coraz pilniejszą potrzebą stawało się kolejne powiększenie powierzchni muzealnej. Rozbudowa istniejących już budynków w obrębie posiadanej działki nie była już jednak możliwa.
Dzięki życzliwości hrabiów Łąckich udało się nabyć należącą do nich sąsiednią parcelę wraz ze stojącym na niej budynkiem. Stary dom frontowy Towarzystwa, podobnie jak i ten nabyty od Łąckich został rozebrany, a w ich miejsce zbudowano nowy, frontowy budynek o jednej bramie. Uroczyste otwarcie nowego gmachu wzniesionego według projektu Rogera Sławskiegio miało miejsce 19 grudnia 1908 r.
Zbiory działu prehistorycznego umieszczono na parterze nowo wybudowanego prawego skrzydła.
Po odzyskaniu niepodległości w 1924 r. PTPN zdecydowało się powierzyć opiekę nad swoimi zbiorami archeologicznymi nowo powstałemu Działowi Prehistorycznemu Muzeum Wielkopolskiego i na jego potrzeby przeznaczyło całe prawe skrzydło budynku muzealnego.
