พิพิธภัณฑ์ท้องถิ่นวัดคุ้งตะเภา ก่อตั้งขึ้นโดยดำริของพระสมุห์สมชาย จีรปุญฺโญ(แสงสิน) และพระมหาเทวประภาส วชิรญาณเมธี เนื่องจากสังเกตเห็นโบราณวัตถุและเอกสารโบราณ  โดยเฉพาะอย่างยิ่งเอกสารโบราณ เช่น ใบลาน สมุดไทย สมุดข่อย จำนวนมาก (มากกว่า 100 ผูก/เล่ม) มีทั้งตำรายาแผนโบราณ , ตำราบทพระอัยการ , จินดามณี และคัมภีร์ทางพระพุทธศาสนา ซึ่งส่วนใหญ่ไม่ได้รับการดูแลอย่างที่ควรจะเป็น ท่านจึงได้ริเริ่มเก็บรวบรวมโบราณวัตถุต่างๆ ในวัดมาตั้งแต่ปี พ.ศ.2539 จนในปี พ.ศ. 2549 จึงสามารถนำมาจัดแสดงให้ประชาชนได้ชม  โดยใช้พื้นที่ชั้น 2 ของกุฏิปั้นหยา เป็นอาคารจัดแสดง เพื่อที่พระสงฆ์จะได้ดูแลรักษาเอกสารและวัตถุโบราณที่นำมาจัดแสดงได้โดยสะดวก 

ในปี พ.ศ.2555 วัดคุ้งตะเภา ได้จัดสร้างห้องพิพิธภัณฑ์ท้องถิ่นวัดคุ้งตะเภา โดยความร่วมมือระหว่างวัดและชุมชนบ้านคุ้งตะเภา โดยการนำของเจ้าอาวาสวัดคุ้งตะเภา และนายสมชาย สำเภาทอง ผู้ใหญ่บ้านคุ้งตะเภา สร้างพื้นที่จัดแสดงบนอาคารศาลาการเปรียญหลังใหม่ (อาคารอสีติวัสสายุมงคลมหาศาลาการเปรียญ) ปัจจุบันมีการนำโบราณวัตถุศิลปวัตถุ เอกสารโบราณ และเครื่องมือเครื่องใช้ภูมิปัญญาท้องถิ่นโบราณของคนคุ้งตะเภาในอดีตมาจัดแสดง รวมมากกว่า 20 ตู้ มีสิ่งของจัดแสดงมากกว่า 500 ชิ้นมากที่สุดแห่งหนึ่งของจังหวัดอุตรดิตถ์

วัตถุจัดแสดงส่วนใหญ่ในพิพิธภัณฑ์ เป็นเครื่องมือเครื่องใช้ที่มีความผูกพันกับวิถีชีวิต ความเชื่อ และภูมิปัญญาท้องถิ่นคนคุ้งตะเภาในอดีต จากหลักฐานเอกสารโบราณที่ประกอบไปด้วยอักษรไทย (สมัยอยุธยา-ต้นรัตนโกสินทร์) และอักษรตัวเมือง(อักษรธรรมลานนา) รวมทั้งเสาหงส์โบราณ(คติมอญ) ทำให้ทราบว่าหมู่บ้านคุ้งตะเภาในอดีตเป็นชุมชนพหุวัฒนธรรมเก่าแก่ ที่มีการปะทะสังสรรค์ทางวัฒนธรรมมาตั้งแต่อดีต วัตถุจัดแสดงบางชิ้นมีความเก่าแก่มาตั้งแต่สมัยก่อนประวัติศาสตร์ ซึ่งค้นพบในบริเวณที่ตั้งหมู่บ้าน แม้จะไม่ได้มาจากการขุดค้นทางโบราณคดี แต่เชื่อได้ว่าหมู่บ้านคุ้งตะเภา เป็นถิ่นฐานที่มีผู้คนอยู่อาศัยมาตั้งแต่สมัยก่อนประวัติศาสตร์ หรือกว่า 2,000 - 3,000 ปีมาแล้ว

การจัดแสดงสิ่งของในพิพิธภัณฑ์ จำแนกได้เป็น 13 กลุ่ม ได้แก่

1. กลุ่มเอกสารโบราณ ประกอบด้วย สมุดไทย , ใบลานวรรณคดีไทยและวรรณคดีคัมภีร์ทางพระพุทธศาสนา , ตำราแพทย์แผนไทย สมุนไพร , บทพระอัยการลักษณะต่างๆ , กฎหมายตราสามดวง , สมุดฝรั่งสมัยรัชกาลที่ 4-5
2. กลุ่มพระพุทธรูปและเครื่องใช้ทางศาสนา เช่น พระพุทธรูปโบราณสมัยเชียงแสน-สุโขทัย , ยอดพระเกศสัมฤทธิ์ , ฉัตรเก่า , แผงพระไม้แกะสลัก , พระพุทธรูปทรงเครื่องสมัยรัตนโกสินทร์ , พระพุทธรูปแกะสลัก , หงส์ยอดเสาโบราณ , ตาลปัตร พัดยศ และธรรมาสน์ไม้ฝีมือช่างพื้นบ้าน เป็นต้น
3. กลุ่มเครื่องมือในการทำนา เช่น ระหัดวิดน้ำ , คันไถและคราดที่ทำด้วยไม้และโลหะ , คานและแอกไม้ประกอบคันไถ , เครื่องสีฝัดข้าว , ขอฉาย , สากตำข้าว , ครกตำข้าวทำจากไม้ และเครื่องสีข้าวแบบแรงมือและคันโยก เป็นต้น
4. กลุ่มยานพาหนะ เช่น เกวียนเทียมวัวและควาย , เรือสำเภาจำลอง , ใบพายเรือ และจักรยานโบราณ เป็นต้น
5. กลุ่มเครื่องมือช่าง เช่น เลื่อยสั้น-ยาว , มีดพร้า-ปลอกมีด , สว่านมือ, กบมือไสไม้ และขวานโยน เป็นต้น
6. กลุ่มเครื่องมือในการจับสัตว์ เช่น ลอบ , สุ่ม , ข้อง , ไซ , เบ็ด, ฉมวกเหล็ก-ไม้ , เครื่องดักสัตว์ที่ทำจากไม้ เป็นต้น
7. กลุ่มเครื่องมือในงานเกษตรกรรมและเหล็ก เช่น เครื่องปั่นด้าย , เครื่องบีบเมล็ดข้าวโพด , อุปกรณ์ตากยาสูบ , สูบลม , หลอดสูบน้ำดับเพลิงโบราณ และเครื่องมือช่างตีเหล็กโบราณ เป็นต้น
8. กลุ่มของใช้ในครัวเรือน เช่น กระด้ง , โม่ , สาแหรก , ถังไม้ , หม้อ-ไหดินเผา , เตารีด , คนโท , ตะกร้าหวาย , ปิ่นโต , ชุดสำรับกับข้าวทำจากแก้ว , ถาดกระเบื้อง-สังกะสี , ถ้วยชาม , ตะเกียงโบราณ , เครื่องบดยาทำจากไม้-หิน , กระเบื้องหลังคาดินเผ า, หีบเหล็ก , คานหาบ , กระบุง และกระจาด เป็นต้น
9. กลุ่มเครื่องใช้ที่ทำจากโลหะทองเหลืองและเงิน เช่น ชุดเชี่ยนหมากโบราณ , กล้องยาสูบ , ขัน , ทัพพี , พาน , ผอบและตลับ เป็นต้น
10. กลุ่มเครื่องใช้ที่ทำจากเครื่องลายครามและเครื่องเบญจรงค์ เช่น โถ , ถ้วย , หม้อใส่ข้าว , ช้อน , ผอบและพานเบญจรงค์โบราณ เป็นต้น
11. กลุ่มอาวุธ เช่น มีด , ดาบ , มีดสั้น , ดาบเหล็กน้ำพี้ , ก้อนสินแร่เหล็กน้ำพี้ขนาดใหญ่ และดาบเหล็กลอง เป็นต้น
12. กลุ่มพระเครื่อง เหรียญกษาปณ์ และเงินโบราณ เช่น เงินพดด้วงโบราณ , สตางค์รู , เหรียญเงินรัชกาลที่ 5 , ธนบัตร เหรียญกษาปณ์เก่า , พระเครื่องที่ทำจากดินและที่ทำจากเหรียญโลหะ เป็นต้น
13. กลุ่มวัตถุสมัยก่อนประวัติศาสตร์ เช่น กลองมโหระทึกสำริด รูปแบบสมัยก่อนประวัติศาสตร์ในกลุ่มวัฒนธรรมดองซอน(Dongson Culture) , ขวานหินขัดสมัยก่อนประวัติศาสตร์ และเศษเครื่องใช้ทำจากดินเผา เป็นต้น