Muzeum bylo založeno v raném období regionálního muzejnictví 26. dubna 1885 jako městské vlastivědné muzeum. Zřizovatelem bylo město a spoluvlastníkem Občanská záložna v Chotěboři, která muzeu propůjčila místnost ve své budově. Na činnosti se zpočátku podílel Musejní spolek. Podle stanov spolku mělo muzeum „povznášet vzdělanosti povšechné i odborné“, sbírat a opatrovat starožitnosti, pořádat přednášky, odborné výstavy, poučné vycházky. Správa muzea byla svěřena devítičlennému kuratoriu, které volilo opatrovníka, později označovaného jako správce. Ten měl dohlížet na sbírku, vést inventář a kroniku.
Prvním opatrovníkem se stal Josef Věnceslav Neudoerfl (1886—1911), pedagog měšťanské školy a autor četných popularizačních publikací, dobrodružných příběhů a operet, který zavedl systém evidence sbírek. V roce 1911 zanikl Musejní spolek i kuratorium.
Se systematickou evidencí sbírek začal Čeněk Houba, správce muzea od roku 1911, který se jako kronikář města zabýval historií Chotěboře. Povedlo se zlepšit péči o sbírkové předměty. V roce 1925 byly sbírky zpřístupněny na Okresní všeobecné výstavě v Chotěboři. V roce 1929 nastoupil historik Jan Ullmann,
který vedl muzeum do roku 1945.
Po válce muzeum vedl Jaroslav Tichý, který získal prostory na chotěbořském zámku, zkonfiskovaném rodině Dobrzenských. Od roku 1952 probíhala pravidelná výstavní činnost. V té době se podařilo do sbírky získat z pozůstalosti díla Jindřicha Pruchy, Karla Opatrného a Zdenka Rykra. V roce 1964 byl Jaroslav Tichý donucen z politických důvodů k rezignaci. Poté vedli muzeum placení ředitelé, mimo jiné Karel Nejedlý (1964—1969), Blanka Sajfertová (1971—1976), Otto Smrček (1977—1986) a Miloslav Janků (1994—2005).
Od roku 1980 do počátku 90. let se na činnosti muzea podílel Vlastivědný klub. Po roce 1989 získává zámek v restituci zpět rodina Dobrzenských a muzeum zde zůstává v nájmu. Od roku 1994 je muzeum městskou příspěvkovou organizací.
V roce 2005 se Městské muzeum stalo zastřešující organizací pro další městské kulturní organizace. Od roku 2009 spadá pod CEKUS — Centrum kultury a služeb Chotěboř (vedle Knihovny Ignáta Herrmanna, Informačního centra a Kina Družba).
Muzeum po více než sedmdesáti letech opouští své sídlo na zámku. Depozitáře se stěhují do provizorních prostor na zimním stadionu. Město získává budovu bývalé pošty na náměstí a vznikají plány na její přestavbu a první koncepce nové stálé expozice. Soutěž na rekonstrukci budovy vyhrává Projektový atelier David.
Na jaře 2024 je dokončen nový depozitář, kam se postupně stěhuje celá sbírka. 2. září se otevírá nové sídlo muzea a Informačního centra v secesní budově bývalé pošty na náměstí. Součástí muzea je stálá expozice, výstavní prostor, edukační místnost a badatelna s knihovnou.
V minulosti vznikly nové pobočky muzea a objevovaly se návrhy na změnu jeho zaměření. Pobočka v Leškovicích byla věnovaná partyzánskému odboji na Chotěbořsku. V roce 1956 byl ve spolupráci s Památníkem národního písemnictví upraven rodný domek Karla Havlíčka Borovského v Havlíčkově Borové.
V 70. letech se vynořil nápad Lnářského muzea, libreto připravoval Albín Medek ze Šumperka, zaměstnanec trutnovského podniku Lnářský průmysl. Dalším návrhem bylo Muzeum bramborářství, škrobárenství a lihovarnictví. Ve druhé polovině 80. let se uvažovalo o převedení zámku do vlastnictví Geofondu Praha a vybudování specializovaného muzea a dokumentačního střediska české geologie. Několikrát hrozilo muzeu hrozilo zrušení.
První stálá expozice vznikla v roce 1955 a nesla název Chotěbořsko v odboji. V roce 1973 připravil Václav Procházka úspěšnou stálou expozici Nerostné bohatství Chotěbořska, později nazvanou Geologie Chotěbořska.
Od 70. let vznikaly také různé podoby pamětních síní — Jindřicha Pruchy (1976) nebo Pamětní síň významných rodáků a obyvatel města (1985).
V roce 1996 byla otevřena dlouhodobá výstava Chotěboř náš domov, která se zabývala městem z etnograficko-historického hlediska.
Dnešní muzejní sbírka ve své rozmanitosti odráží charakter a různorodé zájmy jeho dosavadních správců, ředitelů a ředitelek a vedoucích muzea.
Muzeum od svého založení usilovalo o získání vhodných prostor pro své sbírky a výstavní činnost, to se ale dlouho nedařilo.
První prostory poskytla muzeu Občanská záložna. Na počátku třicátých let minulého století využívalo muzeum prostory v přízemí staré radnice (budova dnešní ZUŠ Chotěboř). V průběhu války byly sbírky provizorně uloženy ve skladišti pohonných hmot městské elektrárny a řada exponátů byla v té době ztracena či poškozena.
Od roku 1946 muzeum sídlilo v Palackého ulici v prostorách bývalé židovské modlitebny. Část sbírek zůstala v bytech správce a ostatních spolupracovníků muzea, kteří byli nuceni úřadovat v budově chlapecké školy (dnešní ZŠ Buttulova). V roce 1952 se muzeum přestěhovalo do zkonfiskované budovy zámku, kde postupně využívalo různé prostory, v období 1966—1992 mělo budovu ve správě. V roce 1992 byl zámek vrácen rodině Dobrzenských. Ze zámku se muzeum odstěhovalo v lednu 2022.
V roce 2019 zakoupilo město pro nové sídlo muzea budovu pošty v ulici Trčků z Lípy čp. 55.
V soutěži na rekonstrukci zvítězil Projektový atelier David. Autorem návrhu interiéru výstavních expozic je architektonický ateliér Roháč Stratil. Rekonstrukce probíhala v letech 2024—2026. Muzeum bude pro veřejnost otevřeno 2. září 2026.
V přízemí budovy sídlí Informační centrum a 1. a 2. patro jsou věnované stálé expozici, zaměřené na historii Chotěbořska a přírodní a geologickou jedinečnost okolí, především údolí řeky Doubravy. Jsou zde také prostory pro krátkodobé výstavy, edukační místnost, knihovna a badatelna.