Музей кино имеет очень долгую предысторию. Идея сохранять произведения кинематографа предлагалась рядом деятелей кино уже в 1910-е годы.

В конце 1920-х Музей кино был создан в рамках Государственной Академии художественных наук. Но в 1932 году ГАХН упразднили, и собранные Григорием Болтянским ценнейшие материалы (первые киноаппараты, сценарии, эскизы, плакаты) частично разошлись по разным архивам, частично пропали.

В 1947 году, по ходатайству Сергея Эйзенштейна, учреждается Сектор истории кино в Институте истории искусств Академии наук СССР, в 1948 году — киноархив (Госфильмофонд), но создание Музея кино отложено на неопределённое будущее.

В 1960-е годы Правление Союза кинематографистов СССР организует Музейную комиссию под руководством режиссеров Леонида Трауберга и Сергея Юткевича. Союз начинает строительство Киноцентра на Пресне, где должен располагаться киномузей. Строительство затягивается на долгие годы, проект здания много раз пересматривается, но в нем всегда остается Музей кино.

В 1984 году по решению СК в его подразделении – Всесоюзном Бюро пропаганды киноискусства – приступает к работе Музейный отдел, к марту 1989 года реорганизованный в Центральный музей кино. Его рождение совпадает со 100-летием со дня рождения Чарльза Спенсера Чаплина, и леди Уна Чаплин совместно с фирмой «Баблз» дарит Музею фильм «Великий Диктатор» (1940), показом которого 31 марта открывается Большой зал Киноцентра.

В достроенном здании на Пресне располагаются фондовые хранилища, выставочные залы и система кинозалов, в которых начинается показ отечественного и мирового кино по музейным принципам. Директором Музея кино с момента его основания и до 1 июля 2014 года был киновед, историк кино Наум Клейман.

В 1992 году Музей кино становится самостоятельной некоммерческой культурно-просветительской организацией, его учредители — Государственный комитет Российской Федерации по кинематографии, Конфедерация союзов кинематографистов, Союз кинематографистов России и Министерство культуры России, затем к ним присоединяется «Совэкспортфильм». В 2001 году принято решение о придании Музею кино статуса государственного.

В 2004 – 2005 годы сложилась ситуация, в которой Наум Клейман принял решение покинуть помещение «Киноцентра на Красной Пресне». С конца 2005 года фондовые хранилища Музея кино располагались на территории киноконцерна «Мосфильм», а кинопоказы, выставки и другие музейные мероприятия проходили на различных площадках Москвы.

С октября 2014 года одной из официальных площадок Музея кино стал Центральный Дом кино.