Umfang, Zuständigkeit und Struktur des Staatsarchivs Würzburg sind von einer langen und jahrhundertealten Tradition geprägt. Bereits seit dem frühen Mittelalter lässt sich im Umfeld des Domklosters eine archivähnliche Einrichtung nachweisen. Bald unterhielten nicht nur das Domkapitel, dessen Archiv immer im Umfeld des Doms verblieb, sondern auch die Bischöfe von Würzburg ein eigenes Archiv und sorgten so für archivische Beständigkeit in Würzburg. Hatten die Bischöfe ihr Archiv zunächst auf der Festung Marienberg in einem Eckturm untergebracht, so fand es mit dem Neubau des glanzvollen Stadtschlosses im 18. Jahrhundert ebenfalls seinen Platz in der Residenz.

Die größte Zäsur erfuhr das Archiv in der Napoleonischen Ära. Nach dem Ende des Hochstifts Würzburg und dem Übergang Würzburgs an Bayern wurde das Würzburger Archiv zum Zentralarchiv für den bayerischen Regierungsbezirk Unterfranken erklärt. Ungezählte Unterlagen aus den aufgelösten Herrschaftsträgern des Alten Reiches gelangten an das Archiv, darunter: Urkunden, Amtsbücher und Akten von Fürstbischof und Domkapitel Würzburg, Reichsstadt Schweinfurt, aufgelöste Klöster, reichsritterschaftliche Archive, Unterlagen der Abtei Fulda (wegen der Ämter Brückenau und Hammelburg) und nicht zuletzt große Teile des Mainzer Landesregierungsarchivs, welches sich auf der Flucht vor den Franzosen zuletzt in Aschaffenburg befunden hatte.

Seit 1921 unter der Bezeichnung „Staatsarchiv Würzburg“ oblag dem Archiv nunmehr die Aufgabe, die schriftliche Überlieferung aller Behörden und Gerichte, die sich auf dem Boden des Regierungsbezirks Unterfranken befinden, zu sichern und zu erhalten. Nur einmal konnte dieser Auftrag nicht erfüllt werden, als im Zuge des verheerenden Luftangriffs britischer Bomber in der Nacht des 16. März 1945 auf Würzburg auch die Archivräume in der Residenz getroffen wurden und brannten. Zahlreiche wertvolle Urkunden und Akten sowie die alten Findbücher wurden vernichtet.

Heute umfasst das Staatsarchiv Würzburg ca. 27 laufende Kilometer Archivgut, darunter ca. 65.000 Urkunden sowie fast 150.000 Amtsbücher und Akten. Besonders prächtig sind die ca. 1.400 Pläne der Kartensammlung. Seit den 1970er Jahren fungiert das Staatsarchiv Würzburg zudem als zentrale Stelle für die Unterlagen der Notariate im Sprengel des Oberlandesgerichts Bamberg (Ober- und Unterfranken); ca. 6,3 Mio. Notariatsurkunden wurden bereits an das Archiv abgegeben.

Das Staatsarchiv Würzburg belegt derzeit über 60 Räume im Nordflügel der Residenz zu Würzburg sowie ein modernes Magazin in einem Flügel der Kernburg auf der Festung Marienberg.

Durch eine Entscheidung der bayerischen Staatsregierung aus dem Jahr 2015 wurde bestimmt, die beiden Depots des Staatsarchivs an einem einzigen Standort in einem Neubau in Kitzingen am Main zusammenzulegen. Dort entsteht derzeit ein modernes und funktionales Archivgebäude; der Umzug von Würzburg nach Kitzingen ist für das Jahr 2026 geplant.