Деятельность музея-заповедника осуществляется в историческом, естественнонаучном, художественном, литературном и техническом направлениях.
В своем развитии он прошел несколько этапов:
Музеум естественной истории и древностей (1841–1891 гг.) был основан заводчиком, известным благотворителем П.Н. Демидовым (1798–1841 гг.) и носил кунсткамерный характер.
Горнозаводской музеум Нижнетагильских и Луньевских заводов (1891–1908 гг.) был учрежден по распоряжению правления Нижнетагильских заводов. Он комплектовался как горнозаводской, отражая достижения горнодобывающей и металлургической промышленности, был открыт для посещений и способствовал просвещению заводских служащих.