Томский губернский архив был учрежден в 1839 году. 17 декабря 1837 г. императором Николаем I были утверждены штаты для чиновников Томской губернии, в которых вводилась должность губернского архивариуса. Губернский архив начал действовать с 15 июля 1839 г. в специально арендованном для него помещении.

В архиве хранились документы губернского правления и общего губернского управления, губернского прокурора, губернского стряпчего, Томского окружного суда, губернской строительной комиссии, Томской казенной палаты, губернской врачебной управы и др. Сведений о деятельности губернского архива в 1918 – 1919 гг. не выявлено.

Весной 1920 г. в здании Томского губсовнархоза было обнаружено около 100 тысяч дел бывшего губернского архива. На отправленный в Сибревком запрос 23 марта 1920 г. была получена директива о необходимости создания управления архивным делом с актохранилищем при нем. Губернское управление архивным делом приступило к работе 10 июня 1920 г. В начале 1923 г. губернское управление архивным делом было реорганизовано в губернское архивное бюро и передано в ведение губисполкома

В 1935-1942 гг. на базу Томского архива были эвакуированы документы госархивов Дальневосточного края, которые до создания в 1943 г. Центрального архива Дальнего Востока обрабатывались сотрудниками томского архива. В годы войны томские архивисты курировали ведомственные архивы эвакуированных из Европейской России учреждений.

В 1960 г. был издан первый путеводитель по фондам ГАТО.

В 2001 г. вышел в свет новый Путеводитель по фондам ГАТО.

В настоящее время в архиве находится на хранении 2326 фондов, 1018326 ед. хр. на бумажной основе, 28368 ед. хр. фотодокументов, 269 фонодокументов, 205 видео и 420 ед. хр. машиночитаемых документов. В ГАТО хранятся документы за 1629-2020 гг. Более 300 тыс. дел относятся к периоду до 1917 г. За послереволюционный период в архиве хранятся документы около 2100 учреждений, организаций и предприятий, дающих в совокупности полную картину политического, социально-экономического и культурного развития региона. В качестве дополнительных документальных источников к основному комплексу документов, поступающих от ведомств, создаются коллекции материалов по инициативе сотрудников архива - коллекции листовок и плакатов избирательных кампаний по выборам первого Президента России и первого Губернатора Томской области, депутатов Госдумы России, документов по проведению акций протестов профсоюзов, фотоколлекции видов города.