החמאם שוכן במתחם בית הסראייה הישן (בית הממשל העות'מאני). בניין שהוקם בראשית המאה ה-18 על שרידיה של מצודה מהתקופה הצלבנית בארץ ישראל, והוא שימש בתחילה כחאן. בשנת 1811 קבע מושל יפו, מחמוד אגא א-שאמי, את משרדי הממשל בעיר בבניין והוא שימש גם כבית דואר וכבית מעצר. עוד היו בו באר, מסגד וחמאם (בית מרחץ טורקי) בחלקו האחורי של המתחם, שנפתח ב-1829.

המבנה חדל מלשמש כבית מעצר בשנות ה-70 של המאה ה-19, ובית הממשל הועבר ממנו ב-1897, כאשר נחנך בית הסראייה החדש בכיכר השעון הסמוכה. והבניין נרכש על ידי משפחת דמיאני הנוצרית, ובמקום החל פועל גם בית חרושת לסבון משמן זית.

ביוני 1936 נערך על ידי שלטונות המנדט הבריטי מבצע עוגן בו נהרסו בתים רבים סביב בית הסראייה הישן, על מנת לפלס נתיבים בתוך השטח המאוכלס, לשם הקלת השליטה בעיר יפו. בין השאר פוצצו את כל הבתים שהיו צמודים לבית הסראייה מדרום (אזור גן הפסגה) וחלקו הדרומי של החמאם נפגע. ב-17 ביולי דווח כי הבריטים חזרו ופוצצו את החמאם, שלא קרס בשני ניסיונות פיצוץ קודמים.

לאחר מלחמת העצמאות הפך האזור שסביב ל"שטח הגדול", למבנים העתיקים הופנו עולים, ואת חלקם תפסו פולשים. באוגוסט 1949 דיווח כתב "הארץ" שבית המרחץ הטורקי, שרד כמעט בשלמותו. ב-1950 החלו פעולות לפינוי ושיקום האזור.

בינואר 1956 דווח כי עיריית תל אביב מתכננת להפוך את מתחם בית הסראייה הישן למוזיאון. במקביל החלו חפירות ארכיאולוגיות במבנה ובכל השטח שסביבו, בראשות יעקב קפלן. ב-1959 נחשפו מתחת למבנה החמאם, חומות וביצורים מהמאה ה-18 לפנה"ס (תקופת הברונזה התיכונה ב'), בזמן שיפו הייתה בשליטה מצרית. החפירות נערכו גם בתוך מבנה החמאם עצמו, ועזרו בזיהוי גדלו של התל העתיק של יפו.