Té els precedents en l’Exposició d’Art del Penedès (1929) i en l’activitat del pare Martí Grivé, que contribuí a impulsar la idea d’un museu per a la ciutat. El 14 d’agost de 1935 es constituí el patronat del museu. Tot i que el 1936 l’ajuntament adquirí l’antic palau medieval de la corona catalanoaragonesa com a seu del museu, la Guerra Civil n’interrompé l’activitat, que reprengué a la postguerra. El 1945, amb l’ampliació de la secció dedicada al vi, esdevingué el primer museu del vi a l’Estat espanyol. Des dels anys seixanta del segle XX, les nombroses donacions donaren un fort impuls al museu, que hagué d’ampliar les sales d’exposicions. Al febrer del 2000 l’ajuntament i l’antiga Caixa d’Estalvis del Penedès constituïren la Fundació Privada Museu de Vilafranca - Museu del Vi. L’any 2007 rebé la denominació actual.
Té la seu en tres edificis contigus del centre històric de Vilafranca del Penedès: l’antic palau medieval de la corona catalanoaragonesa, construït entre els segles XII i XIII, molt modificat posteriorment, Cal Pa i Figues, remodelat en profunditat en 1966-75 i la capella de Sant Pelegrí, d’estil gòtic, habilitada el 1980 com a sala d’exposicions. El Palau Reial, declarat bé cultural d’interès nacional el 1949, ha estat sotmès a successives restauracions (1943-54, 1956-73) en les quals tingué un protagonisme destacat l’arquitecte Jeroni Martorell, i remodelacions, la darrera de les quals entre el 2010 i el 2012 a partir del projecte de l’arquitecte Santi Vives. A banda de les actuacions de restauració, hom hi habilità els actuals 1.800m2 de superfície útil, dels quals 500 m2 destinats a exposició. Un nou auditori amb capacitat per a 170 persones, una botiga i un espai per a la degustació completen la remodelació del museu.
Els fons i les col·leccions són agrupats en les seccions d’arqueologia, art i ceràmica, ciències naturals i col·lecció del vi. El fons d’arqueologia té els fonaments en l’obra de Pere Giró i Romeu, pioner en l’excavació de jaciments del Penedès durant la primera meitat de segle XX. Els materials exposats i continguts al museu corresponen a uns 600 jaciments excavats de l’Alt i el Baix Penedès i el Garraf, del Paleolític a l’edat mitjana. Sobresurt la làpida funerària a dues cares, l’anvers, l’original d’època romana (segle II) i el revers, d’època medieval (final del segle XIII). Els fons d’art i de ceràmica es nodreixen de les nombroses donacions, entre les quals cal esmentar les de Manuel Trens (1972), integrada sobretot per les col·leccions d’art litúrgic i la de dibuix i pintura catalanes, i la de ceràmica de Joan Bonet (1978), formada per unes 1.500 peces dels Països Catalans dels segles XIV al XIX. Els fons de ciències naturals corresponen a aportacions de particulars en els camps de la geologia, la paleontologia i l’ornitologia. La col·lecció del vi inclou testimonis de segles d’activitat vitivinícola (eines, recipients, etc.).