Музей начал свою историю еще в 1841 году. Он был создан П. Н Демидовым и изначально задумывался как кунсткамеры в честь прибытия на Тагильские заводы будущего императора Александра II.
Сегодня в состав музея входит единственный в нашей стране завод-музей, а также еще девять филиалов, выставочные залы и библиотека, в том числе Демидовская дача и музей Д. Н. Мамина-Сибиряка.