Die Geschichte des Oberösterreichischen Landesmuseums reicht zurück in die erste Hälfte des 19. Jahrhunderts. 1833 gründete Reichsritter Anton von Spaun den Verein des vaterländischen Museums für Österreich ob der Enns mit Inbegriff des Herzogthums Salzburg. Die Sammel- und Forschungstätigkeiten, zunächst ausschließlich von privaten Förderern unterstützt, sahen vier Fächer vor: Geschichte, Kunst, Naturwissenschaften und Technologisches. 1895 konnten die Sammlungen des nach seinem ersten Protektor, Erzherzog Franz Karl, benannten Museums Francisco Carolinum in ein nach Plänen von Bruno Schmitz im historistischen Stil neu errichtetes Gebäude einziehen, das von Kaiser Franz Joseph feierlich eröffnet wurde. Es stellt bis heute das Stammhaus des Oberösterreichischen Landesmuseums dar. Als solches wurde das Museum offiziell erst ab dem Jahr 1920 bezeichnet, nachdem das Land Oberösterreich dessen Trägerschaft übernommen hatte. Direktor war zu jenem Zeitpunkt der Kunsthistoriker Hermann Ubell, der 1903 als Kustos für die kunstwissenschaftlichen Sammlungen an das Haus gekommen war und diesem von 1908 bis zu seiner Pensionierung 1937 vorstand. Als Direktor folgte ihm 1937 der langjährige Kustos der naturwissenschaftlichen Abteilung Theodor Kerschner.

Nach dem "Anschluss" Österreichs 1938 wurde aus dem Landesmuseum das Museum des Reichsgaues Oberdonau (die offizielle Umbenennung erfolgte erst nach dem Ostmarkgesetz 1940), das sich entsprechend der Sonderstellung des so bezeichneten Heimatgaus Oberdonau eine Aufwertung erhoffte. Die künftige Ausrichtung sowie die Sammel- und Forschungsschwerpunkte hingen von Adolf Hitlers kulturpolitischen Plänen für Linz ab. Während für das im Rahmen des "Sonderauftrags Linz" geplante Linzer Führermuseum eine Kunstsammlung überregionaler Bedeutung konzipiert war, sollte das Gaumuseum künftig eine stärker regionale Ausrichtung erfahren. Als beispielhaft dafür kann die Etablierung einer Volkskundeabteilung unter der Leitung von Franz Lipp betrachtet werden. Verlassen musste das Haus hingegen die ebenfalls in der Volkskunde etablierte promovierte Kunsthistorikerin Marianne Taub, die seit 1932 als Kanzlistin im Museum tätig gewesen war. Aufgrund der jüdischen Herkunft ihres Vaters als "Mischling 1. Grades" kategorisiert, erfolgte im Mai 1938 ihre Versetzung in den "dauerhaften Ruhestand". Die kunst- und kulturwissenschaftliche Abteilung stand seit 1937 unter der Leitung des aus Wien stammenden Kunsthistorikers Heinrich Justus Schmidt. Auf Basis seiner Auswahl wurden 1940 knapp 400 vorwiegend aus den Sammlungen Alphonse und Louis Rothschild, Rudolf Gutmann, David Goldmann und Otto Pick stammende Objekte aus dem Zentraldepot für beschlagnahmte Kunst in der Wiener Hofburg nach Linz überstellt. Weiters fanden zahlreiche Objekte aus Sammlungen, die in Linz von der Gestapo enteignet worden waren, Eingang in die Bestände, darunter Gemälde und Zeichnungen des Kaufmanns Walther Schwarz sowie Kunstgegenstände der Antiquitätenhandlung Töpfer. Außerdem übernahm das Museum die Verwaltung der Kunstsammlungen der enteigneten Klöster Oberösterreichs. Der Museumsbetrieb selbst konnte im Laufe der Kriegsjahre immer weniger aufrechterhalten werden, seit 1944 wurden zudem umfassende Bergungsmaßnahmen vorgenommen. Als Bergungsorte dienten die aufgehobenen und vom Gau verwalteten Klöster, darunter auch Hohenfurth/Vyšší Brod sowie Schloss Starhemberg in Eferding.

Nach Ende der NS-Herrschaft schied Theodor Kerschner aufgrund seiner NSDAP-Mitgliedschaft aus dem Museum aus. Interimistisch stand der Leiter der Kunstgeschichtlichen Abteilung Heinrich Justus Schmidt dem Museum vor, der zwar nicht Parteimitglied gewesen war, aber ab 1940 in seiner Funktion als Kulturbeauftragter des Gauleiters in Oberdonau Kunsteinkäufe für den Gau im besetzten Frankreich vorgenommen hatte. 1948 verließ er aus gesundheitlichen Gründen das Museum, neuer Direktor wurde der Kunsthistoriker Wilhelm Jenny. In den ersten Nachkriegsjahren erfolgten Restitutionen der in den NS-Jahren in die Bestände aufgenommenen, aus entzogenem Eigentum stammenden Objekte, insbesondere aus den Wiener Sammlungen. Zahlreiche kunstgewerbliche Gegenstände, Objekte aus der Techniksammlung, Kunstgegenstände aus den enteigneten Klöstern und Restbestände der amerikanischen Collecting Point Verwaltung verblieben allerdings noch Jahrzehnte in den Bestandsinventaren, wie ein in den frühen 2000er Jahren etabliertes Forschungsprojekt des Landes Oberösterreich, durchgeführt von der Johannes Kepler Universität Linz, zeigte. 2002 beschloss das Land Oberösterreich das Landesgesetz über Restitutionsmaßnahmen für Opfer des Nationalsozialismus (OÖ Restitutionsgesetz, LGBL. 29/Nr. 2). Seither restituierte das Landesmuseum Objekte aus den Sammlungen von Alphonse und Louis Rothschild (2000), Victor Ephrussi (2000), Martha Neumann (2003), Walter Schwarz (2009), dem Kloster Vyšší Brod (2009), Ignatz Pick (2010, 2016), der Antiquitätenhandlung Töpfer (2010), Oskar Reichel (2013), Margarete und Georg Bittner (2013, 2017) sowie Malvine Stern (2017). Der aktuelle Stand der Restitutionen sowie die nach wie vor ungeklärten Fälle sind auf der Website des Oberösterreichischen Landesmuseums veröffentlicht.