Идея о создании Музея кино была выдвинута организатором кинопроизводства, сценаристом и режиссером Григорием Моисеевичем Болтянским. В апреле 1922 года по его проекту Государственный ученый совет Наркомпроса РСФСР принял Постановление об организации Киномузея. Однако из-за отсутствия средств Постановление не было осуществлено.

В мае 1925 года решение об организации Киномузея было принято Художественным советом Главнауки. Выполнение этого решения было поручено Кинокабинету ГАХН (Государственной Академии художественных наук) под руководством Г.М. Болтянского.

В октябре 1926 года вышло Постановление коллегии Наркомпроса об учреждении оргкомитета Киномузея при ГАХН. Была создана музейно-выставочная группа, которая в течение нескольких лет проводила работу по сбору материалов и экспонатов, организации выставок как внутри страны, так и заграницей.

После реорганизации ГАХН в апреле 1931 года музейная группа была ликвидирована, собранные материалы переданы в различные учреждения, в том числе часть из них попала в ГИК (Государственный институт кинематографии).

В следующие десятилетия видные деятели кинематографии неоднократно ставили вопрос о создании Музея кино, однако лишь в 1984 году по решению Союза кинематографистов СССР в его подразделении — Всесоюзном бюро пропаганды советского киноискусства – приступил к работе Музейный отдел. К марту 1989 года отдел был реорганизован в Центральный музей кино.

Днем рождения Музея кино считается 31 марта 1989 года. В этот день показом фильма «Великий диктатор» Чарльза Спенсера Чаплина открылся Большой зал Киноцентра на Красной Пресне.

В здании Киноцентра с 1989 до 2005 года располагались отделы Музея кино, фондовые хранилища, выставочные залы и кинозалы, где проходили показы отечественного и мирового кино. Первым директором Музея кино был киновед, историк кино Наум Ихильевич Клейман. В 2001 году было принято решение о придании Музею кино статуса государственного музея.

В конце 2005 года, в связи с переменой собственника, Музей кино был вынужден покинуть помещение Киноцентра на Красной Пресне. Фонды были перевезены на территорию киноконцерна «Мосфильм», а кинопоказы, выставки и другие музейные мероприятия проходили на различных площадках Москвы.

1 июля 2014 года директором Государственного центрального музея кино стала киновед Лариса Оттовна Солоницына. Вскоре музей наконец получил возможность обрести свою постоянную площадку: 22 мая 2015 года между ФГБУК «Государственный центральный музей кино» и ОАО «ВДНХ» был заключен договор о долгосрочной аренде павильона № 36 В результате капитального ремонта в здании были оборудованы три кинозала для показа фильмов с любых носителей, в том числе с кинопленки, отдельные зоны для постоянной экспозиции и тематических выставок, аудитории для проведения лекций по истории и теории киноискусства, открыт магазин по продаже сувенирной продукции и изданий по кино. Особое место в музее было отведено мемориальному кабинету кинорежиссера Сергея Эйзенштейна.

Открытие обновленного Музея кино состоялось в октябре 2017 года.

В конце 2018 года, благодаря усилиям Ларисы Оттовны Солоницыной, в состав Музея кино вошла Библиотека киноискусства имени С. М. Эйзенштейна, созданная Правительством Москвы в 2008 году. Основу собрания книг и других материалов по киноискусству в ней составляла библиотека кинематографистов, существующая с 1934 года.

Библиотека киноискусства открылась после ремонта как научная библиотека Музея кино в День российского кино 27 августа 2022 года. Современный зал-трансформер, оснащенный специальным оборудованием, предназначен для проведения кинопоказов, лекций, спектаклей, презентаций книг и творческих встреч. Библиотечный фонд в настоящее время насчитывает более 100 000 единиц хранения по кино и другим видам искусства. 

Адрес Библиотеки киноискусства: ул. Каретный Ряд, 5/10с2.

С 5 августа 2022 года директором музея является Лариса Вячеславовна Баженова. Под ее руководством Музей кино продолжает осуществлять те виды деятельности, которые были начаты ее предшественниками.

Из них основными являются следующие:

• Сбор, систематизация и описание предметов по истории кинокультуры.
• Организация выставок и экспозиций, связанных с историей и современностью кинематографа.
• Формирование программ из фильмов, вошедших в сокровищницу отечественного и зарубежного кинематографа или ставших заметными явлениями текущего кинопроцесса.