Die Gründung der Wiesbadener Museumssammlungen verdankt sich bürgerlichem Engagement des frühen 19. Jahrhunderts. Der Grundstock der Sammlungen geht auf die bis in das 18. Jahrhundert zurückreichende Sammlertätigkeit des Privatsammlers Johann Isaac Freiherr von Gerning zurück. Einer Anregung des in Wiesbaden zur Kur weilenden Johann Wolfgang von Goethe folgend, wurden die Kunstwerke, Altertümer und Naturalien von Gernings vom Staat Nassau erworben und zunächst im Palais des Nassauischen Erbprinzen der Öffentlichkeit zugänglich gemacht. In der Folge bildeten sich drei Museen, deren Träger der Verein für Nassauische Altertumskunde und Geschichtsforschung, der Nassauische Verein für Naturkunde und der Nassauische Kunstverein waren.

Im Jahr 1900 gingen die drei Museen in städtisches Eigentum über. Zwischen 1913 und 1915 entstand ein Neubau nach Plänen des Architekten Theodor Fischer. In der Konzeption des Fischer-Baus entstand ein modernes Gebäude, das den unterschiedlichen Bedürfnissen der drei Sparten gerecht wurde und bereits Platz für wechselnde Ausstellungen bot.

In den 1920er und frühen 1930er Jahren entwickelten die Direktoren mit Unterstützung der assoziierten Vereine eine rege Sammel- und Ausstellungstätigkeit. Auch wurden mit Hilfe Wiesbadener Bürger:innen wichtige Sammlungsergänzungen in allen Bereichen vorgenommen. Als Dauerleihgabe des Kunstmuseums gehörten dazu zahlreiche Gemälde des Wiesbadener Sammlers Heinrich Kirchhoff. In diese Zeit fällt auch die Wirkungszeit des Präparators Josef Burger, der eine umfangreiche und hochwertige Sammlung zur Präsentation in der Dauerausstellung des Naturhistorischen Museums schuf.

Nach der Machtergreifung der Nationalsozialisten kamen alle Gemälde aus dem Umfeld des Expressionismus, wie beispielsweise Werke von Jawlensky oder Klee, und der konstruktiven Positionen zunächst ins Depot des Museums. Im Jahr 1937 wurden die Arbeiten dann ins zentrale Sammellager nach Potsdam abtransportiert. Der Sammler Heinrich Kirchhoff musste seine Dauerleihgaben zurücknehmen. Von 1935 bis 1945 war Hermann Voss Direktor des Museums. Unter seiner Leitung wurden über 200 Werke erworben, darunter auch hochkarätige Barockgemälde. Ab 1943 war Voss parallel Sonderbeauftragter für das Führermuseum in Linz. Seine Erwerbungen werden derzeit auf ihre rechtmäßige Provenienz hin untersucht. Dabei hat sich herausgestellt, dass zahlreiche Gemälde unrechtmäßig aus jüdischem Besitz in das Museum gelangten.

Nach Kriegsende wurde das Gebäude zum „Central Collecting Point“ der Amerikaner. Nachdem die hier vorübergehend eingelagerten Kunstschätze — darunter die Büste der Nofretete und Rembrandts Mann mit dem Goldhelm — wieder an ihre Besitzer:innen zurückgegeben worden waren, begann in den 1950er und 1960er Jahren mit sparsamsten Mitteln eine Phase der Wiedereinrichtung der Sammlungen. In diese Zeit fällt auch der beginnende Aufbau der heute wertvollsten und bedeutendsten Sammlung der Kunst — der Jawlensky-Sammlung — durch den damaligen Museumsdirektor Clemens Weiler.

Für das Naturhistorische Museum entstand ein neues Ausstellungskonzept, das eine deutliche Trennung von Ausstellungen und Depots vorsah und Sonderausstellungen in den Fokus rückte.

Im Jahr 1973 übereignete die Stadt Wiesbaden die drei Sammlungen dem Land Hessen, das sie seitdem als Museum Wiesbaden betreibt.

Im Frühjahr 2010 wurde die Sammlung Nassauischer Altertümer in städtische Trägerschaft  überführt.

Nach mehreren Jahren Baumaßnahmen stehen den beiden Abteilungen, der Kunstsammlung und den Naturhistorischen Sammlungen, heute 7400 Quadratmeter Ausstellungsfläche zur Verfügung. Leitmotiv für die Sanierung war die Anlehnung an Theodor Fischers Proportionslehre. Den Architekten Schultze + Schulze aus Kassel gelang es einen „Neubau im Altbau“ zu schaffen, in dem sich die Kunst an strahlend weißen Wänden präsentiert. Modernste Klima- und Sicherheitstechnik bleiben demgegenüber weitgehend unsichtbar, durch absenkbare Lichtdecken fällt schattenloses Oberlicht und LED-Technik schont die Exponate. In den Naturhistorischen Sammlungen gelang es unter anderem, die historischen Kühnscherf-Vitrinen zu sanieren und szenografisch neu zu bespielen. Foyer und Vortragssaal, Cafeteria und Museumspädagogik sowie alle Servicebereiche strahlen in hellem Glanz. Abwechslungsreich proportionierte Galerien mit weiträumigen Durchblicken und großzügige neue Ausstellungsräume bilden ein attraktives Umfeld für anregende Begegnungen mit Exponaten der Kunst und Natur.

2007 wurde das Museum von der deutschen Sektion der AICA für seine Ausstellungstätigkeit und seine Sammlungsaktivität im Bereich moderner Kunst als „Museum des Jahres“ ausgezeichnet.