Galeria powstała w 1822 roku po zwrocie Państwu Kościelnemu bogatej kolekcji rzymskich i greckich rzeźb zrabowanych przez wojska napoleońskie. Nad budową nowej galerii czuwał wielki włoski rzeźbiarz Antonio Canova.
Galeria, którą historycy sztuki uznają zgodnie za najdoskonalszy przykład architektury neoklasycyzmu, powstała z woli papieża Piusa VII na miejscu dawnego magazynu narzędzi rolniczych i owoców. Od początku mieści 140 antycznych posągów nadnaturalnej wielkości. Są wśród nich znane arcydzieła, jak marmurowy posąg cesarza Augusta, odnaleziony w 1863 roku w Prima Porta na północ od Rzymu.
Renowacja galerii to ostatnia inwestycja, przeprowadzona za dyrekcji profesora Antonio Paolucciego. Ten wybitny włoski historyk sztuki, który był miedzy innymi ministrem kultury Włoch i kierował odbudową bazyliki świętego Franciszka w Asyżu po trzęsieniu ziemi w 1997 roku, odchodzi po dziewięciu latach na emeryturę. Na jego miejsce papież Franciszek mianował Barbarę Jattę, jego dotychczasową zastępczynię. Jest ona pierwszą w historii kobietą kierującą Muzeami Watykańskimi.
