Здание музея было построено в 1970 году по проекту армянского архитектора Багдасара Арзуманяна. Среди самых ценных экспонатов музея «Афросиаб» особое значение имеют уникальные фрагменты настенной живописи, относящиеся к VII–VIII векам, которые изображают праздничные гуляния и сцены охоты. Фонды музея продолжают пополняться новыми артефактами с археологических раскопок, которые ведутся и по сей день.
Афросиаб сегодня — это руины древнего города, занимающие площадь около 200 га на северо-востоке современного Самарканда. Город был основан примерно в VIII–VII веках до нашей эры правителем древнего государства Туран Афросиабом, воспетым в знаменитой национальной иранской «Книге о царях». Ученые предполагают, что раньше городище было столицей древнейшей исторической области в Центральной Азии Согдианы и носило название Мараканда.
Археологические раскопки на территории городища начались в 1870-е годы, когда Средняя Азия была присоединена к России. Во время раскопок были обнаружены древние жилые здания, дворцы местной знати, мечети. С юга город обрастал новыми храмами, базарами, ремесленными мастерскими. Город был высоко развитым, о чем рассказывает наличие системы водопровода.
В 1912 году под руководством профессора Массона были обнаружены часть дворца Саманидов, на стенах которого сохранился уникальный рельефный орнамент. В 1925 году были обнаружены фрагменты стен соборной мечети, монеты, украшения, остатки глиняной посуды. Важные находки были обнаружены в 1965 году, когда были найдены остатки зданий из сырцового кирпича с надписями на согдийском языке и украшенные высокохудожественной росписью. Предметы быта, найденные на месте городища, демонстрируют высокий уровень культуры жителей древнего города.
В XI–XIII веках Самарканд стал столицей Караханидского государства, город развивался и процветал вплоть до татаро-монгольского нашествия. В 1220 году нашествие Чингизхана превратило его в руины. Музей «Афросиаб» рассказывает об истории основания и развития Самарканда по тем предметам, что были найдены во время раскопок на древнем городище.