Музей был открыт для публики 5 мая 1924 г. на основе минералогической коллекции краеведа-подвижника И. Я. Стяжкина. До 1931 г. он существовал как общественный, народный, затем обрел статус государственного.
В 1955 г. музей участвовал в археологической экспедиции Уральского государственного университета под руководством В. С. Стоколоса: открыто одно из древнейших поселений людей на территории Каменского района, названное по месту расположения селищем Лужки, а также стоянки Черноскутовская, Марай и Воронинская - были обнаружены каменные орудия труда и многочисленные фрагменты керамики, датированные II тысячелетием до н.э. Находки положили начало археологической коллекции музея.
В 1959 г. был возведен второй музейный корпус, а после строительства третьего здания, стилизованного, как и два первых, под классицизм: образовался музейный комплекс.
Гордость музея — артиллерийская коллекция, собранная из образцов изделий Каменского завода, начиная с 1733 г. Особо выделяется собрание письменных источников — несколько тысяч рукописных, машинописных и печатных документов. Музей имеет архив, включающий фонд копий документов по ранней истории города (ХVII-ХVIII вв.). Основу нумизматической коллекции составляют Щербаковский, Клевакинский, Часовской и Барабинский клады, а также собрание монет, принадлежавшее уроженцу города А. Г. Стенину. Собрание фотографий представлено снимками известных уральских фотографов В. Л. Метенкова, Н. А. Терехова и фотографа Каменского завода И.А. Соколова.
