À Chartres, entre 1850 et 1890, les premières observations archéologiques sont réalisées par des érudits locaux, lors de chantiers de construction dans la ville. Ces observations concernent surtout la période gallo-romaine et mérovingienne. Ces données sont en partie publiées par la Société archéologique d’Eure-et-Loir (SAEL), créée dans la mouvance des sociétés savantes de l’époque.

La période 1959-1964 voit le sous-sol du centre-ville de Chartres en grande partie détruit par d’imposants programmes immobiliers, qui ne feront jamais l’objet de fouilles de sauvetage. Seul Jean Laurent, directeur des services techniques de la Ville, suivra ces travaux et récoltera des informations sur les vestiges en cours de destruction. Même si elles sont d’une qualité sujette à discussion, ses notes ont le mérite d’exister et sont d’ailleurs parfois les seules informations disponibles concernant ces secteurs.

En 1965, la ville de Chartres se dote d’un secteur sauvegardé. Cette initiative ne s’accompagne malheureusement pas d’un suivi régulier des chantiers de construction.

Entre 1967 et 1972, trois opérations de fouilles sont réalisées par Paul Courbin et ses étudiants sur des terrains non menacés de destruction. Ces fouilles sont axées sur les édifices monumentaux de la ville antique. Cependant, seuls quelques comptes rendus succincts ont été publiés.

Entre 1971 et 1976, période qui voit l’émergence de l’archéologie urbaine préventive en France, le Groupe de recherches archéologiques de Chartres (GRAC), dirigé par Michel Marie et Philippe Dessen, réalise quelques fouilles d’urgence sur des parcelles menacées de destruction. De trop rares articles concernent ces travaux.

La première fouille de sauvetage d’ampleur sera réalisée en 1976, sous la conduite d’un étudiant en archéologie, Dominique Joly. Ce dernier crée en 1978, avec Alain Chartrain, l’Association pour le Développement de l’archéologie Urbaine à Chartres (ADAUC) qui avait pour but de mettre en place un programme de recherche sur le territoire de la ville. Grâce à cette association, en 1978, une première participation financière est donnée par un aménageur pour la recherche archéologique en préalable aux travaux de construction. Entre 1978 et 1982, l’ADAUC réalisera une vingtaine d’opérations de fouille et de surveillances, menées exclusivement sur la périphérie de la ville antique. En 1977, l’État avait équipé un petit « dépôt de fouille » dans les locaux du Musée des Beaux-Arts.

En 1981, Dominique Joly devient « chargé de mission pour l’archéologie ». Cependant, le manque de moyens ne permettra pas la reconduction du poste au-delà de quatre ans.

Entre 1985 et 1989, la récession des aménagements urbains entraîne une réduction des opérations archéologiques. L’ADAUC assure néanmoins, grâce à des contrats AFAN, la conduite de quelques fouilles de sauvetage, dont celle de la domus de la place des Épars et celle de l’ensemble monumental de la rue de la Brèche.

En 1989, la fouille du site Saint-Chéron, gérée intégralement par l’AFAN, voit la formation d’une équipe d’une dizaine de personnes. Cette fouille sera suivie d’un enchaînement d’opérations archéologiques sur le territoire chartrain : 9 en 1990, 11 en 1991, 12 en 1992 et 15 en 1993. Parmi ces opérations, il faut retenir celle du parvis de la cathédrale de Chartres, menée sur une surface de 1000 m².

En 2003, le maire Jean-Pierre Gorges, crée le service municipal d’archéologie, dont le directeur sera Dominique Joly. De 2003 à 2005, les six personnes du service assisteront les équipes de l’INRAP qui réaliseront les deux premières tranches de l’opération Coeur de Ville (Place des Épars et Boulevard Chasles, responsable scientifique Hervé Sellès). La Ville recrutera en plus 31 contractuels en 2004 pour renforcer les équipes INRAP. Entre septembre 2004 et mars 2005, le service archéologique de la Ville a pris possession de locaux dans des bâtiments situés face à la cathédrale, au 1 rue de l’Étroit-Degré.

Fin 2004, en prévision des tranches 3 et 4 du projet Coeur de Ville (chantiers du cinéma et de la médiathèque), que l’INRAP ne pouvait plus prendre en charge, le maire commande au directeur du service municipal d’archéologie un projet de service destiné à maîtriser l’ensemble du processus archéologique. Début 2005 commençait le recrutement de 68 personnes qui allaient réaliser une fouille de grande ampleur en 14 mois, le site du cinéma, d’une surface de 4700 m². Parmi ces personnes, figuraient des spécialistes (archéozoologue, antropologue, céramologue, topographe, restaurateur-conservateur) engagés dans le but de créer un service polyvalent capable de mener en interne toutes les étapes d’une opération archéologique.

En octobre 2009, le service archéologique déménage et s’installe dans les locaux de l’ancienne bibliothèque André Malraux, située 5 rue Saint-Michel. Il y restera jusqu’en 2014, année de son transfert dans les bâtiments de l’ancienne Abbaye Saint-Brice (2 rue Georges Brassens).

En 2016, un nouveau directeur, Laurent Coulon, prend la tête du service archéologique en remplacement de Dominique Joly.