1928年时任东莞明伦堂委员长的徐景唐先生，倡议筹办东莞博物图书馆。由东莞明伦堂出资28000余元，广州昌发公司建造，东莞博物图书馆于1929年竣工，位于当时的东莞城区盂山公园（今东莞人民公园）内，为两层砖瓦水泥结构，占地面积489平方米。

1929年，东莞县博物图书馆成立，是广东较早创建的博物馆（仅次于中山大学人类学博物馆和广州博物馆）。

1931年东莞县县长陈达材下令由县财政拨款1600元作东莞博物图书馆修理、购置用具之费。聘任邓念慈、卢鋈球（即卢翊，时为东莞教育局局长）、卢瑞（时为东莞县府庶务主任）等组成筹备委员会，邓念慈任馆长，卢鋈球为秘书，卢瑞为会计，负责博物图书馆开办事宜。

1932年，东莞县博物图书馆正式开放，博物图书馆一楼作为博物馆部，举办禽畜动物标本陈列，有少量陶瓷藏品；二楼作为图书部，设有图书阅览室；另设有印书部，委托东莞名人编书，由东莞博物图书馆印行发售，或利用旧版片重印东莞古籍。

1938年10月，东莞沦陷，博物图书馆被日军占领，藏品遭到极大破坏。

1949年解放后，博物图书馆曾简陋复馆并做过党员培训的场所，因经费不足，十年间，博物图书馆归于沉寂。

1959年，县委拨款7000元对旧馆进行维修，另建一间120平方米的文物库房，东莞博物图书馆更名为“东莞县博物馆”。

1989年，东莞市政府投资建设东莞市博物馆，以此作为展示莞邑文明成就、民俗风貌的重要窗口。

1994年春节，东莞市博物馆在科书博广场落成并对外开放。建馆之初，东莞市博物馆举办了“东莞春秋”基本陈列。

2009年5月，东莞市博物馆被评为国家二级博物馆。

2012年，东莞市博物馆进行了基本陈列改造，推出“古代东莞”基本陈列，并于2013年春节对外开放。

2025年5月，东莞市博物馆新馆主体结构全面封顶，预计2026年10月开馆。