Pod koniec XVI w., przy założonej w 1594 r. w toruńskim Gimnazjum Akademickim bibliotece, powstał „gabinet osobliwości″ zwany Musaeum. Można przyjąć, że był to początek gromadzenia toruńskich zbiorów muzealnych. W II połowie XIX w. zorganizowano w Toruniu dwa towarzystwa naukowe, a przy nich również muzea, gromadzące już w sposób systematyczny eksponaty, które stały się podstawą obecnych zbiorów. Pierwsze, niemieckie Coppernicus Verein für Wissenschaft und Kunst, umieściło zbiory w Ratuszu Staromiejskim i zorganizowało Städtisches Museum, otwarte w 1861 r. Drugie, polskie Towarzystwo Naukowe w Toruniu, udostępniło swoje Muzeum w 1876 roku. W 1920 r. po włączeniu Torunia do odrodzonej Rzeczypospolitej, powstało Muzeum Miejskie, gromadzące zbiory o charakterze regionalnym.

W początkach niemieckiej okupacji, która w Toruniu trwała od 4 IX 1939 r. do 31 I 1945 r. zlikwidowane zostały polskie ekspozycje, a w końcu działań wojennych część najcenniejszych zbiorów wywieziono. Niektóre muzealia udało się odzyskać po zakończeniu wojny i Muzeum wznowiło swoją działalność w Ratuszu, przechodząc kolejne etapy reorganizacji (1950 r. – Muzeum Pomorskie w Toruniu; 1955 r. – Muzeum w Toruniu; 1965 r. – Muzeum Okręgowe w Toruniu). W latach siedemdziesiątych zostało zaliczone do grupy muzeów historyczno-artystycznych o specjalnym znaczeniu, a w 1998 r. wpisane do Rejestru Muzeów przez Ministerstwo Kultury i Sztuki. Od 1999 r. Muzeum Okręgowe w Toruniu podlega samorządowi toruńskiego powiatu grodzkiego.

Zbiory opracowywane są przez pracowników Działów: Archeologii, Historii i Dziejów Miasta Torunia, Dom Mikołaja Kopernika, Sztuki Polskiej i Europejskiej, Działu Kultur Pozaeuropejskich oraz Dział Historii Toruńskiego Piernikarstwa. Oprócz wyżej wymienionych komórek funkcjonują również: Dział Inwentaryzacji i Dokumentacji Muzealnej, Dział Edukacji, Dział Konserwacji, Dział Promocji oraz Biblioteka Naukowa.