За два столетия музей дважды терял свою самостоятельность (в 1925-1936 гг. и в 1963-1965 гг.), когда его объединяли в одно учреждение с Картинной галереей И. К. Айвазовского. Как филиал Феодосийского краеведческого музея в 1970 г. был открыт Феодосийский литературно-мемориальный музей А. С. Грина, получивший самостоятельность в 1978 г. В 1971-1990 гг. работал филиал музея — лапидарий в средневековой армянской церкви Сурб-Саркис (Святого Сергия).
Заведующими (хранителями) Феодосийского музея древностей в разное время были известные историки — Е. Ф. де Вильнёв, С. И. Веребрюсов, О. Ф. Ретовский, Л. П. Колли, В. Д. Гейман. Непродолжительное время, в 1922 т., директором был выдающийся украинский искусствовед академик А. П. Новицкий. 28 лет (1975-2003 гг.) музеем руководил Е. А. Катюшин. Свою научную деятельность в качестве научных сотрудников феодосийского музея начинали видные современные археологи А. И. и Е. А. Айбабины. С музейными коллекциями работали Н. Н. Мурзакевич, В. К. Виноградов, В. Д. Смирнов, А. Л. Бертье-Делагард, Э. Р. Штерн и другие авторитетные деятели науки XIX — начала XX в., многие современные исследователи.
Во второй половине XX в. музей выступал организатором многих археологических, этнографических и других экспедиций, в том числе международных. В стенах музея и в наши дни ведется многогранная научно-исследовательская деятельность, просветительская работа. Музей поддерживает связи с другими музеями, научными организациями, учреждениями Украины, России, стран ближнего и дальнего зарубежья.