1955年秋天，中華民國空軍飛行員潘克永少校隨機飛越八里鄉觀音山上空時，突然發現飛機的羅盤出現了磁力異常的反應，他以為是發現了鐵礦所以才會影響到羅盤的運作。

1957年，潘克永找上了在國立臺灣大學任教的地質學家林朝棨，會同中美鑽探公司工程師黃瀛東到八里鄉頂罟村現地勘查，才知道在地面上到處可見的鐵塊與鐵渣，其實是土法煉鐵的遺跡。由於遺址所在地、時臺北縣八里鄉（今新北市八里區）頂罟村有個別名叫「十三行村」，於是以該名稱將此考古遺址命名為「十三行遺址」。至於頂罟村別名的由來則有不同的說法，一說是因為清朝時，這裡曾為重要商港，有多達十三行郊（商家）在此經商，所以將此處稱為「十三行」。可是，也有學者認為「十三行」可能來自原住民語言的音譯，為原住民稱呼該地之名稱。

1959年，石璋如教授率領學生們到十三行遺址短期試掘，獲得陶器、石器、鐵器和玻璃器等文物以及二座墓葬，並推斷該址屬於凱達格蘭族及噶瑪蘭族系統的史前文化。1963年，臺北縣文獻委員會委託劉斌雄教授在該遺址開挖二個深坑，發現遺址有二個文化層重疊，下層為赤褐色網紋硬陶文化層（即十三行文化層），上層則是近代的漢文化層。1980年，交通部觀光局將十三行文化遺址列為重要考古遺址。

1988年，考古學家臧振華和劉益昌由於對臺灣平埔族和早期漢文化之間之接觸這個研究議題感到興趣，而決定選擇十三行遺址進行考古挖掘，卻意外引爆了一場文化保存和工程建設的衝突事件。原來，十三行遺址已被臺灣省政府住宅及都市發展處畫定為八里污水處理廠用地，即將動工。經過文化及學術團體兩年多的抗爭，1991年，十三行遺址被中華民國內政部指定為國家二級古蹟，保存範圍長約144公尺、寬約22公尺、總面積為3,161.9平方公尺；但事實上保留的部份只佔整個遺址的九分之一左右，其餘大部分的遺址都在興建八里污水處理廠時破壞。1995年，行政院會議決議，在污水處理廠旁撥地成立「十三行遺址文物陳列館」。1998年，陳列館更名為「十三行博物館」，同時也開始博物館的興建工程。2003年，十三行博物館正式完工並開館。