L’istituzione della gipsoteca si deve a Gherardo Ghirardini, che nell’autunno del 1899 fu chiamato alla cattedra di archeologia a Padova dove rimase sino al 1907. Tuttavia l’impegno maggiore per il potenziamento della gipsoteca, calcolabile tra il 60% e il 70% della consistenza finale, si deve al successore Giuseppe Pellegrini, morto nel 1918.
I soggetti prevalenti dei calchi acquisiti nel primo ventennio del Novecento sono sculture classiche dai musei di Roma, Napoli, Firenze ma anche da collezioni venete (Museo Archeologico di Venezia). Sono presenti anche calchi di sculture e rilievi dal Partenone fidiaco, perlopiù acquisiti tramite ateliers fiorentini (Lelli). Rimandano invece ad opere provenienti da campagne di scavo la presenza del gesso dell’Hermes da Olimpia (calco berlinese acquisito tramite il Museo Civico di Bologna) e di 10 calchi di notissimi reperti minoici da Creta (eseguiti sull’isola da matrici formate, quasi sicuramente, sugli originali e donati da Massimiliano Ongaro).
Successivamente, con l’arrivo a Padova nel 1922 di Carlo Anti, la gipsoteca, pur con ritmo più lento, continuò a crescere, comprendendo sia altre sculture classiche sia calchi derivanti da differenti tipologie di reperti quali le monete (in totale 149) e i materiali preistorici (34).
Nell’ambito della costruzione della nuova sede del museo all’ultimo piano del nuovo edificio per la Facoltà di Lettere e Filosofia, il Palazzo Liviano (anni 1937-1939), la gipsoteca fu ambientata dal progettista, l’architetto Gio Ponti, in una vasta sala organizzata intorno ad una riproposizione in chiave razionalista dell’atrio di una casa romana e di un emiciclo.
Solo nel dopoguerra la gipsoteca venne terminata e vennero eseguiti alcuni restauri, tuttavia con il passare del tempo fu sempre meno utilizzata. L'ultima importante acquisizione di opere si ebbe nel 1980 quando giunse in museo un deposito di 11 calchi dal Museo Correr di Venezia.

Al termine degli anni ’90, dovendosi procedere ad urgenti lavori edilizi e di sicurezza in tutto il museo, si è colta l’occasione per riallestire anche il settore della gipsoteca ripristinando, là dove possibile, l’originario progetto di Gio Ponti e completandolo con un nuovo allestimento delle opere.

Il nuovo progetto espositivo della gipsoteca, sviluppato con una tesi di specializzazione (A. Menegazzi, La gipsoteca dell’Università di Padova: storia, collezioni e sistemazione museale, Università di Bologna, Scuola di Specializzazione in Archeologia, rel. prof. M.C. Genito Gualandi), si è posto da un lato in ideale continuità con le scelte museografiche e museologiche degli anni ’30, dall’altro ha dovuto contemperare ad esse le necessità di un’esposizione moderna e scientificamente aggiornata delle opere. A tal fine il percorso è stato organizzato per ambiti cronologici e scuole, accostando, all'interno dei vari ambiti, busti, rilievi e statue a tutto tondo prima esposti separatamente. La ritrovata armonia degli spazi pontiani ha consentito infine di conferire al percorso generale una maggiore flessibilità e la possibilità, in ogni momento e con il minimo sforzo, di introdurre approfondimenti tematici, ampliamenti e modifiche.