Музей-заповедник «Сталинградская битва» возник на основе Музея обороны Царицына имени Сталина, открытого в 1937 году. Во время Гражданской войны в этом здании находился штаб обороны царицынского Совета рабочих, крестьянских и казачьих депутатов.
В 1941 году музей эвакуировали в Заволжье. Экспонаты вернули в Сталинград только в 1943 году. Так как здание сильно пострадало во время Великой Отечественной войны, экспозицию развернули в подвале Центрального универмага. Вскоре Городской комитет обороны принял решение создать новую экспозицию музея с тремя разделами: оборона Царицына, оборона Сталинграда и восстановление Сталинграда. Обновленную экспозицию музея открыли в отреставрированном здании в 1948 году. В 1962 году музей переименовали в Волгоградский государственный музей обороны, а через 20 лет преобразовали в Волгоградский государственный музей-панораму «Сталинградская битва». В том же году открыли панораму «Разгром немецко-фашистских войск под Сталинградом».
В 2008 году музей-панораму «Сталинградская битва» и мемориальный комплекс «Героям Сталинградской битвы» на Мамаевом кургане объединили в музей-заповедник «Сталинградская битва».