Идея создания Музея истории науки и техники ОИЯИ стала приобретать реальные очертания в середине 1980-х гг., когда сформировалась инициативная группа сотрудников Объединенного института ядерных исследований. Разработанный ею Проект положения о музее был согласован с Министерством культуры РСФСР в ноябре 1988 года. Решение о создании музея было принято Комитетом Полномочных Представителей государств - членов Института 16-19 января 1989 г., а приказ о создании музея издан директором ОИЯИ Н.Н. Боголюбовым 3 февраля 1989 г.
Из представителей всех лабораторий Института был образован Совет музея. Наиболее активными его участниками были В.А. Никитин, Б.М. Старченко, Ю.А. Туманов и Е.П. Шабалин. Председателем Совета был избран В.А.Никитин. Сотрудниками музея на этом первом этапе его создания стали его директор В.С. Шванев и научный сотрудник В.М. Захарова. При поддержке Государственного Политехнического музея ими была разработана концепция музея ОИЯИ. Однако возглавить его, по настоятельной рекомендации директора Политеха, Г.Г. Григоряна, должен был физик со степенью и с широким гуманитарным кругозором. Поэтому в конце 1991 г. директором Музея истории науки и техники ОИЯИ был назначен Г.Л. Варденга. При этом вопрос о выделении музею постоянного помещения все еще не был решен. Лишь в 1993 г. музею были переданы две комнаты в помещении редакции газеты "Дубна: наука, содружество, прогресс".
Сразу после этого Г.Варденга с В.Захаровой приступили к активному сбору экспонатов в лабораториях ОИЯИ. Когда образовалась коллекция, достаточно репрезентативная для показа истории и достижений ОИЯИ широкой общественности, Политехнический музей на месяц предоставил два своих зала для размещения экспозиции. Торжественное открытие выставки с участием представителей прессы и телевидения состоялось 13 марта 1993 г. Этот день можно считать днем рождения музея, потому что именно из большей части экспонатов выставки и составилась его экспозиция. Выставка вызвала интерес не только у представителей СМИ, но привлекла и достаточно много посетителей. Ее успеху во многом способствовали великолепные снимки Юрия Туманова, фотохудожника и фотолетописца ОИЯИ на протяжении полувека.
Первая концепция постоянной экспозиции Музея истории науки и техники ОИЯИ, подготовленная в 1989 г., предусматривала создание в ее составе десяти основных разделов, посвященных истории г. Дубны и ОИЯИ, деятельности основных лабораторий Института и осуществляемому в нем международному сотрудничеству. Размещение экспозиции планировалось в достаточно крупном здании, Совет музея несколько раз обращался в дирекцию Института с предложениями о выделении для этих целей коттеджа, в котором ранее проживали Д.И. Блохинцев и Н.Н .Боголюбов, здания бывшей котельной ОГЭ либо бывшего Горкома КПСС, однако эти предложения не были удовлетворены.
К 1993 году сотрудниками музея и участниками Совета музея была разработана новая, развернутая концепция его постоянной экспозиции. В этой концепции предполагалось создание целого музейного комплекса ОИЯИ, состоящего из головного музея с экспозиционной площадью не менее 1200 м2 и тремя филиалами: мемориальным музеем Д.И. Блохинцева, мемориальными кабинетам В.И. Векслера и И.М. Франка. Предполагалось, что головной музей будет состоять из трех блоков: основной экспозиции, выставочного зала (зала новостей) и эксплораторума (зала открытий).
Эта концепция получила высокую оценку в Политехническом музее - научном и методическом центре Ассоциации научно-технических музеев Российского комитета Международного совета музеев и была одобрена руководителями всех лабораторий ОИЯИ. В каждой лаборатории были сформированы специальные группы сотрудников, которые должны были работать над созданием профильных разделов основной экспозиции музея.
Однако, к сожалению, музею не были выделены помещения, сколько-нибудь соответствующие данной концепции. В 1993 г. музею были выделены три небольшие комнаты, в одной из которых и был смонтирован очень усеченный вариант экспозиции. Однако этих экспозиционных помещений явно недоставало -- как для достаточно полного представления истории и достижений ОИЯИ, так и для все более широкого охвата аудитории разного рода активными формами музейной работы.
В 2016 г. был проведен капитальный ремонт с перепланировкой помещений. Кроме того был приобретен и изготовлен целый ряд новых экспонатов, которые вместе с уже работающими интерактивными панелями существенно обогатили экспозиционные и функциональные возможности музея.