Anatoomikum valmis Johann Wilhelm Krause projekteerituna aastal 1805 Toomemäe lõunanõlvale rootsiaegse Karl Gustavi bastioni asukohale.
Algselt klassitsistliku rotundina valminud hoonele ehitati aastatel 1825–1827 Krause projekti järgi juurde poolkaarjad tiibhooned. Tänapäevase kuju omandas anatoomikum aastail 1856–1860 toimunud viimase suure juurdeehituse valmimise järel – arhitekt Karl Rathausi projekteeritud juurdeehitused muutsid hoone põhiplaanilt hobuserauakujuliseks.
Nüüdse nime – Vana Anatoomikum – sai hoone 1888. aastal seoses nn uue anatoomikumi valmimisega.
Vanas anatoomikumis on olnud tegevad paljud kuulsad arstid-teadlased. Siin on töötanud 19. sajandi esimese veerandi üks suurimaid anatoome Karl Burdach, kes pööras erilist tähelepanu peaaju morfoloogiale ning onto- ja fülogeneesi uurimisele, ning samuti Karl Kupffer, keda peetakse võrdleva embrüoloogia rajajaks. Samuti tegutses siin anatoomiaprofessor August Rauber, kes koostas 1886. aastal ülemaailmselt tunnustatud anatoomiaõpiku, millest on avaldatud 20 kordustrükki (viimane kaasajastatult 1987 Saksamaal). Samas hoones on töötanud ka 19. sajandi keskpaiga üks tuntumaid füsiolooge Friedrich Bidder, kelle teaduslikud tööd käsitlesid peamiselt närvisüsteemi füsioloogiat ja histoloogiat ning puudutasid ka toitumisfüsioloogiat.
Arstiteaduskonna käsutuses kuni 1999. aastani olnud hoone jäi 20. sajandi lõpuks kitsaks ega vastanud enam kaasaja nõuetele. Samal aastal valmis Maarjamõisa väljal biomeedikumi hoonetekompleks.
2005. aastal möödus vana anatoomikumi valmimisest 200 aastat. Tähtpäeva puhul avati maailma teadusajaloo kujundamisel kaasa teinud ehitises Tartu Ülikooli muuseumi näitus „200 aastat vana anatoomikumi“. Samuti sai seal tutvuda Tartu Ülikooli arstiteaduskonna meditsiiniliste kollektsioonidega.
19. novembril 2011 oli viimane päev, mil sai külastada vana anatoomikumi ja sealset ekspositsiooni. Eesti arstiteaduse sünnikodu on hetkel läbimas uuenduskuuri, mille järel saab vanast anatoomikumist Tartu Ülikooli teaduse populariseerimise keskus.
