Рыбинский музей-заповедник ведет свою историю с 17 (30) октября 1910 года, когда в городе открыл свои двери естественнонаучный музей, располагавшийся в здании Коммерческого училища. Инициатором его создания была местная интеллигенция, объединенная в отделение Ярославского естественно-исторического общества (Н.Н. Розов, А.А. Михайлов, Л.А. Альбицкий, Б.Г. Верди и др.) К 1913 году в музее существовало 5 отделов: минералогический, геологический, зоологический, ботанический, антропологический, а его собрание насчитывало несколько тысяч предметов.
14 декабря1919 года по инициативе Д.А. Ушакова, поддержанной А.А. Золотаревым, Л.А. Альбицким, А.В. Буровым, при содействии городского руководства в городе был основан еще один музей – художественно-исторический. Ядром его коллекции стали собрания окрестных дворянских усадеб, вскоре дополненные значительными поступлениями из хранилищ художественных произведений Москвы и особенно Петрограда. Первым профессионалом музейного дела в Рыбинске стала Е.В. Соснина-Пуцилло, пришедшая в музей вслед за коллекцией прикладного искусства, конфискованной у ее родственников Рыбинской ЧК.
5 января1927 года естественнонаучный и художественно-исторический музеи были на правах отделов объединены в краеведческий, который в конце1929 г. занял часть здания Мучного гостиного двора.
В 1930 году начались аресты сотрудников музея, обвиненных в приверженности «реакционной идеалистической идеологии» (А.А. Золотарев, Е.В. Соснина-Пуцилло, Л.А. Альбицкий) и списания многочисленных экспонатов, воспринятых как пережитки старины. К 1935 году новый коллектив музея «перешел на новые рельсы культурной революции», став площадкой для рапортов о новых свершениях, отмечая революционные юбилеи, укрепляя материалистическое мировоззрение. Особое место в эти годы играл отдел природы, душою которого был художник, писатель и охотник Г. Лесовик (Н.Петухов). В то же время, в эти годы музей принял сотни единиц хранения из расформированных малых музеев, таких как Пошехонский, Мологский, Мышкинский.
С началом Великой Отечественной войны музей был свернут, а экспонаты складированы и подготовлены к эвакуации. Но уже в мае 1942 года музей открыл для посетителей часть отделов.
С середины 1950-х годов музей стал целенаправленно пополнять собрание работами современных художников. 10 февраля 1959 года ему был присвоен статус историко-художественного. Наряду с созданием экспозиций по современной жизни края, началось изучение современной коллекции и планомерная реставрация экспонатов. Появились экспозиции народного искусства, фарфора и стекла, иконописи.
В 1970-1980-е годы, когда музей возглавлял капитан 1 ранга И.Б. Рабинович, усилилась военно-патриотическая работа. В то же время активизировалась и выставочная деятельность музея. В традицию вошли регулярные персональные и коллективные выставки рыбинских художников. Рыбинские экспонаты, в свою очередь, стали нередкими гостями в столичных музеях.
16 января 1989 года музею был присвоен статус государственного историко-архитектурного и художественного музея-заповедника.
В 1990 году, с целью увековечения памяти известного физиолога, философа академика А. А. Ухтомского, был открыт его мемориальный дом-музей, ставший отделом музея.
В 1992 году городской администрацией Рыбинска было принято решение о передаче музею-заповеднику здания бывшей новой хлебной биржи, построенной по проекту архитектора А. В. Иванова в 1910-1912 годах. Одно из красивейших в г. Рыбинске, оно расположено на берегу реки Волги. Увенчанное фигурными кровлями с ажурными гребнями, облицованное поливной плиткой и изразцами, здание напоминает сказочные палаты, выстроенные, вместе с тем, по последнему слову техники начала XX века. Внутри оно сохранило значительную часть первоначальной отделки: кованые перила лестниц, лепнину потолков. Здание в короткий срок было приспособлено под музей, и 18 декабря1993 г. состоялось торжественное открытие новых экспозиций.
В 1995 г. появился еще один отдел – музей истории Мологского края, расположившийся в бывшей часовне Афанасьевского женского монастыря. Он посвящен истории земель, в середине ХХ века скрывшихся в водах Рыбинского водохранилища.
С 2020 года в Мучном гостином дворе (большая часть которого закрыта на реставрацию), располагается выставочно-экспозиционный комплекс музея. Здесь располагается экспозиция «Рыбинск в XX веке», постоянная выставка-макет «Неизвестная Молога – Русская Атлантида», «Рыбинская акватория», проходят фондовые выставки музея.
