Музей открыт 8 мая 1966 года, первая экспозиция «Живым и павшим в боях с фашизмом посвящается». Первым директором был художник Василий Максимович Астахов. В 1999 году открыт археологический музей, филиал городского музея.
В дальнейшем были открыты новые залы, экспозиции и выставки, посвящённые строительству Сталиногорского химического комбината и города, восстановлению промышленности в послевоенные годы. Фонды музея пополнялись материалами, документами и предметами быта.
В 1981 году в музее открыта экспозиция, посвящённая поэту Я. В. Смелякову, который в качестве заключённого жил в Сталиногорске в 1945—1947 годах. В конце 1980-х годов перед музеем была установлена боевая машина БМ-13-16 «Катюша», принимавшая участие в боях за город.
В 2001 году музей получил статус историко-художественного. Ежегодно музей организует более 20 временных выставок, а также показывает большую коллекцию художественных произведений: картины местных художников, прикладное искусство, предметы старины, нумизматика и многое другое.
В музее хранятся исторические материалы о строительстве «Новой Москвы», города Новомосковска, о военных годах, трудностях послевоенного восстановления и дальнейшего развития города. В музее можно найти информацию о предприятиях, научных и образовательных учреждениях города, а также о людях, чьи имена вписаны в историю города, шахтёры, химики, строители, труженики села.
Отдельная экспозиция посвящена поэту Я. В. Смелякову, который работал в Сталиногорске в 1945—1946 годах. Представлен большой фотографический и документальный материал, в том числе черновики стихов, из сталиногорского периода жизни Смелякова, личные вещи, переданные вдовой поэта, а также книги учеников и друзей поэта с дарственными надписями.
Музей не только хранитель истории, но и культурный центр. В музее регулярно проводятся художественные выставки, в нём располагаются экспозиции самого разного характера, начиная от детского рискунка и заканчивая тульскими самоварами, показом гербариев или уникальных коллекций морских раковин.
С 1980-х годов на территории Новомосковского и соседних районов ведутся археологические раскопки. Большую часть экспонатов в археологический музей предоставили Новомосковские археологи во главе с Олегом Заидовым.
