Muzeum wilanowskie jest najstarszym polskim muzeum sztuki. Zostało założone w 1805 roku z inicjatywy ówczesnych właścicieli Aleksandry i Stanisława Kostki Potockich. Kolejni właściciele z rodu Potockich, a następnie Branickich udostępniali nieprzerwanie wilanowskie zbiory. W 1877 roku spopularyzowało je wydawnictwo Hipolita Skimborowicza i Wojciecha Gersona „Wilanów. Album widoków i pamiątek…”; w 1893 roku wydano zaś przewodnik po pałacu w Wilanowie i jego kolekcji.

Po drugiej wojnie światowej, na mocy reformy rolnej, majątek wilanowski przeszedł na własność państwa. Od końca lat 40. aż do połowy lat 50. rewindykowano zbiory z terenów Niemiec, Austrii i ZSRR. Od 1954 roku w pałacu i parku rozpoczęły się szeroko zakrojone prace rewitalizacyjne. Przyjętym wyznacznikiem było odwołanie się do epoki Jana III i barokowych dekoracji, tam, gdzie tylko było to możliwe. Uroczystego otwarcia pałacu w Wilanowie jako oddziału Muzeum Narodowego w Warszawie dokonano 10 września 1962 roku; dwa dni później, w rocznicę odsieczy wiedeńskiej, pałac udostępniono publiczności. W latach 70. XX wieku liczba odwiedzających pałac i ogrody wilanowskie sięgnęła 400 tysięcy osób rocznie. W 1983 roku w Wilanowie z okazji 300. rocznicy odsieczy wiedeńskiej zorganizowano jubileuszową wystawę „Chwała i sława Jana III w sztuce i literaturze”.

W 1995 roku Muzeum Pałac w Wilanowie stało się niezależną od Muzeum Narodowego instytucją, podległą Ministerstwu Kultury i Dziedzictwa Narodowego. Rok później zorganizowano wystawę w 300. rocznicę śmierci Jana III – „Tron pamiątek”. Od początku XXI wieku ruszyły wielkie prace rewitalizacyjne obejmujące zarówno fasady i wnętrza pałacu, jak i teren parku i pałacowego przedpola. Większość prac finansowana była ze środków Unii Europejskiej i Ministerstwa Kultury i Dziedzictwa Narodowego. Od 2006 roku Muzeum Pałac w Wilanowie jest członkiem ARRE – Stowarzyszenia Europejskich Rezydencji Królewskich.

Muzeum regularnie organizuje wystawy czasowe, konferencje i seminaria naukowe, prowadzi badania naukowe, wydaje książki naukowe i popularnonaukowe, organizuje zajęcia edukacyjne poświęcone zarówno wartościom kulturowym, jak i przyrodniczym wilanowskiej rezydencji. Na wortalu muzeum, będącym wielkim repozytorium wiedzy i zasobów edukacyjnych, znajduje się kilka tysięcy artykułów przybliżających historię i kulturę Rzeczypospolitej Obojga Narodów. Muzeum wprowadza również nowe technologie, ułatwiające gościom zwiedzanie.

We wrześniu 2013 roku muzeum zmieniło nazwę na Muzeum Pałacu Króla Jana III w Wilanowie.

Wieloletnim dyrektorem muzeum wilanowskiego był dr Wojciech Fijałkowski. Od 2002 roku funkcję tę sprawuje Paweł Jaskanis.