L'edificio scelto come sede del Museo, fa parte di un importante contesto urbano: la Cittadella, l'estremo settentrionale della città fortificata, in posizione rilevata rispetto al porto ed al nucleo urbano.
Qui si era sviluppato il complesso urbanistico castellano quattro-cinquecentesco con villa degli Appiani, chiesa, corpo di guardia, magazzini, dipendenze, pozzo. Il tutto raccolto all'interno di spalti, che si allungavano nella scogliera e mura per la migliore difesa. All'esterno, una gran piazza d'armi collegava questo luogo alla città.
In seguito l'area subisce una ristrutturazione significativa per l'organizzazione dei palazzi imperiali della Piombino napoleonica e dei principi Felice ed Elisa Baciocchi. I lavori riguardano l'edificio antico degli Appiani (ora demolito) che mantiene le funzioni di residenza principesca, ma soprattutto la nuova realizzazione delPalazzo Nuovo, oggetto dell'intervento di restauro.
Il Palazzo Nuovo viene realizzato nel 1807 con una caratteristica forma a L, in parte riutilizzando un edificio preesistente che occupava l'ala rivolta verso nord. Aveva la funzione di ospitare la corte, ai piani superiori; servitori, cuochi ed altre funzioni, a piano terra. All'inizio degli anni Sessanta del Novecento viene trasformato in scuola ed è stato solo recentemente abbandonato.
Obiettivo generale del recupero è stato quello di valorizzare il contesto fortificato della Cittadella, rendendolo di nuovo un punto di riferimento per la città e il territorio, organizzandolo per visite che possano avvenire anche via mare, usando il porto vecchio e le antiche scalinate, con un collegamento diretto con il parco di Populonia ed il golfo di Baratti.
Il Museo Archeologico del territorio di Populonia , realizzato nel Palazzo Nuovo, ha sale espositive, laboratori, sale riunioni, spazi per ladidattica e per manifestazioni temporanee, librerie, uffici, spazi per il ristoro.I reperti esposti in buona parte tornano nell'area dal Museo archeologico di Firenze ed il progetto scientifico è curato dal Dipartimento di Archeologia dell'Università di Siena, con la supervisione del professor Daniele Manacorda e il coordinamento del dott. Giandomenico De Tommaso e della dott.ssa Silvia Guideri, in collaborazione con la Soprintendenza Archeologica per la Toscana.
L'intervento di restauro ha recuperato i caratteri originari, tipologici ed architettonici del palazzo, con interventi sui collegamenti (si è ripristinato lo scalone originario) e sulla distribuzione interna (si è recuperato la copertura originaria in legno).