백제 무왕(600~641) 때 창건된 미륵사지 출토 유물을 보다 안전하게 관리하고 이를 학술적으로 연구하여 미륵사 1000여 년의 역사와 신앙 · 생활 · 문화 등이 복합되어있는 유물들의 전시를 통해 백제문화의 우수성을 알리고자 설립되었다.
백제의 문화를 규명하기 위해 수립된 정부의 중서부 고도문화권 개발계획으로 이루어진 미륵사지의 발굴조사가 1980년 시작되었으며 1996년까지 1만 9000여 점에 이르는 귀중한 유물이 미륵사지에서 출토 되었다. 이러한 발굴성과를 통해 미륵사지가 백제 최대의 사찰이었음을 알 수 있게 되었으며 전라북도(현, 전북특별자치도)에서는 1992년 미륵사지유물전시관을 착공하였다.
1994년 건립된 미륵사지유물전시관은 1995년 1월 전라북도익산지구문화유적지관리사업소라는 이름으로 개소하여, 1996년 11월 제1종 종합박물관으로 등록하였다. 이후 1997년 5월에 전시관을 개관하고, 2007년 8월 미륵사지유물전시관으로 명칭 및 기구를 변경하였다. 2015년 12월 국립미륵사지유물전시관으로 승격되었다.
2019년 명칭을 국립익산박물관으로 변경하였고, 2020년 1월에 증축 · 개관하였다.
국립익산박물관은 미륵사지의 경관을 고려하여 중심지역보다 낮은 위치에 세웠으며 지형적으로 조화를 이루도록 하였다. 전체적인 모형은 미륵사지 석탑의 이미지를 살린 것으로 지붕처마선의 날렵함이 또 하나의 볼거리를 제공하고 있다.
과거 미륵사지유물전시관은 1만 2400평의 대지에 연건평 594평 규모로 전시실, 세미나실, 수장고, 사무실 등을 갖추었다. 보유 유물은 미륵사지 출토유물 및 자체소장 유물자료 1만 9363점을 보관하였으며 이 중 300여 점을 전시하였다. 2009년 1월에는 1962년 국보로 지정된 미륵사지 석탑의 해체 · 복원과정에서 사리장엄이 발견되어 전 국민의 이목의 집중되기도 하였다.
주요 유물로는 동양최대의 탑으로 일컬어지는 익산 미륵사지 석탑(국보, 1962년 지정)과 당간지주 2기(보물, 1963년 지정)를 비롯하여 치미, 금동향로, 금동풍탁, 사리장엄 등이 있다.