Das Staatsarchiv ist aus dem Archiv der Fürstbischöfe von Würzburg hervorgegangen. Dieses Archiv war seit 1764 in der dortigen Residenz untergebracht, wo auch das Staatsarchiv bis heute seinen Sitz hat. 1802-1805 Kurfürstlich Bayerisches Archiv, 1806-1814 Großherzoglich Würzburgisches Archiv und ab 1815 Kgl. Bayer. Archiv, erhielt es 1852 die Bezeichnung Archivkonservatorium, 1875 Kreisarchiv und 1921 Staatsarchiv. Ein Luftangriff am 16. März 1945 zerstörte die gesamte Raumsubstanz, was zusammen mit dem Brand des für Archivalienauslagerungen genutzten Schlosses Wässerndorf am 5. April 1945 zum Verlust von etwa der Hälfte der Archivbestände führte. Zwischen 1948 und 1970 wurde das Archiv in der Residenz wieder aufgebaut. Seit 1976 besitzt das Staatsarchiv eine Außenstelle in der Feste Marienberg, die vornehmlich zur Aufnahme der Notariatsakten des Oberlandesgerichtsbezirks Bamberg dient.

Während das Schriftgut nach 1814 vornehmlich aus Abgaben unterfränkischer Staatsbehörden stammt, kommt das ältere Archivgut im wesentlichen von denjenigen Herrschaften des Alten Reiches, die im heutigen Regierungsbezirk Unterfranken ansässig waren. Neben den Archiven des Hochstifts und Domkapitels Würzburg mit den dazugehörigen Stiften und zahlreichen Klöstern sind dies vor allem Bestände der Landesverwaltung des Kurerzstiftes Mainz, dessen Archive Ende des 18.Jh. nach Aschaffenburg geflüchtet worden waren. Hinzu kommen Archivalien der Ritterstifte St. Alban zu Mainz und St. Ferrutius in Bleidenstadt sowie der Spessartklöster Himmelthal und Schmerlenbach. In weit geringerem Umfang sind Archivalien der Reichsstadt Schweinfurt, des fränkischen Reichsritterschaftskantons Rhön-Werra, der Johanniterkommende Würzburg-Biebelried und der Deutschordenskommenden Gelchsheim, Münnerstadt und Würzburg vorhanden, ferner Archivalien der Fürstabtei Fulda, die mit den 1816 an Bayern abgetretenen fuldischen Ämtern Brückenau und Hammelburg von Kurhessen abgegeben wurden. Bedeutende Herrschafts- und Adelsarchive: Schönborn, Fechenbach.