Музей геологии, нефти и газа был создан 24 сентября 1993 года Распоряжением главы администрации Ханты-Мансийского автономного округа А.В. Филипенко «О создании окружного геологического музея» № 1052-р от 24.09.1993 г. Название в современном звучании музей носит с 1996 года.
Создание Музея геологии, нефти и газа явилось результатом инициативы широкой геологической общественности и ведущих центров геологического изучения территории севера Западной Сибири на нефть и газ, поддержанной руководителями нефтегазовых корпораций, осуществляющих деятельность на территории автономного округа.

Музей геологии, нефти и газа как государственный музей занимается вопросами сохранения, изучения и публикации историко-культурного (индустриального и естественно-научного) наследия уникальной нефтегазовой территории. Ханты-Мансийский автономный округ – Югра географически расположен на значительной части Западно-Сибирской нефтегазоносной суперпровинции и является ведущим в Российской Федерации регионом по добыче нефти. Индустриальное преобразование округа стало результатом реализации масштабного государственного социально-экономического проекта второй половины XX века.

Решение о сооружении специализированного здания для нового музея было принято Думой автономного округа в 1995 году. Для финансирования строительства был создан внебюджетный фонд под председательством Губернатора округа. Также был создан Попечительский совет, в который вошли руководители геологоразведочных, добывающих предприятий и ведомств, связанных с недропользованием на территории автономного округа, представители научных организаций.

19 февраля 2000 года, в дни торжеств, посвящённых добыче семимиллиардной тонны нефти на территории Югры, в Ханты-Мансийске была заложена памятная капсула с посланием к будущим поколениям на месте строительства первого в регионе государственного Музея геологии, нефти и газа.

Здания для музея спроектировано московской мастерской лауреата Государственной премии РФ В.В. Колосницына. Проект реализован в течение трёх лет: с (2000 по 2003 годы. Музейное здание представляет «двухэтажный линейный объём с акцентированной центральной частью, выполненной в виде вертикально поставленного кристалла из тонированного стекла и металлических декоративных панелей, символизирующих богатство природных недр края». По версии журнала Structural Engineering International (SEI) (Цюрих, Швейцария, 2003) здание вошло в десятку оригинальных архитектурных сооружений мира, построенных в сложных природно-территориальных условиях. Здание Музея геологии, нефти и газа зарегистрировано в 2003 году в Международной базе данных и галерее инженерных сооружений International database and gallery of structures.

В эти же годы, в архитектурный ансамбль музея стилистически поддерживая архитектуру здания вошла монументально-декоративная композиция «Кристалл» из трёх стеклянных призм, установленная на массивном кубе в гранитной облицовке (проект авторского коллектива под руководством народного художника РФ С.В. Горяева).

В марте 2003 года музей был открыт для посетителей. Открытие музея было приурочено к знаменательному спортивному событию в Ханты-Мансийске – проведению первого в России чемпионата мира по биатлону.

В 2003 году началось формирование музейного фонда, который к настоящему времени включает около 37000 предметов. Фондовое собрание музея насчитывает 22 коллекции, среди которых: минералогическая коллекция с месторождений России и стран мира; коллекции кварцев и кальцитов с месторождений Приполярного Урала с уникальными образцами до 300 кг; коллекция образцов кернов Березовской опорной скважины, открывшей в 1953 году первое углеводородное месторождение Западной Сибири; коллекция ископаемой фауны и флоры Западной Сибири и других регионов мира. В числе предметов коллекции истории техники – образцы геодезического инструмента первой половины XX века и фрагменты нефтяных резервуаров конструкции В.Г. Шухова, оборудование бурового инструмента и нефтегазовых промыслов второй половины XX века. В составе мемориальных коллекций имеются личные фонды пионеров нефтегазового дела в Западной Сибири – Р.-Ю.Г. Эрвье, Ф.К. Салманова, Л.И. Ровнина, В.И. Муравленко, А.Г. Исянгулова, Г.М. Лёвина, Г.К. Петрова и др.

В декабре 2017 года предмет фонда «Теодолит шаропилотный аэрологический» (МГНГ-ОФ-3492) на заседании экспертного совета Программы «Памятники науки и техники в музеях России» Политехнического музея получил статус Памятника науки и техники I категории (сертификат №1371).

Учёт музейного собрания ведётся в комплексной автоматизированной музейно-информационной системе КАМИС 5.  Музей геологии, нефти и газа зарегистрирован в Государственном каталоге Музейного фонда Российской Федерации и имеет уникальный идентификатор: 1-86-С/00041.

Научно-исследовательская деятельность музея – основа экспозиционно-выставочной, фондовой и культурно-просветительской работы. Основными научно-исследовательскими проектами являются «Именные нефтегазовые месторождения Западной Сибири», «Участники Великой Отечественной войны – создатели Западно-Сибирского нефтегазового комплекса», «Звёзды Югры», «Атлас индустриального наследия Югры».

Результаты научной работы публикуются в специализированных научных и научно-популярных журналах (Жизнь Земли, Вестник Томского государственного университета, Вестник РАЕН, Вестник угроведения и др.), сборниках трудов конференций. Музей является организатором серии научно-методических сборников «Музейное дело в Ханты-Мансийском автономном округе – Югре» (в 2020 году вышел очередной 7 выпуск). С 2004 года музеем издаётся региональный научно-популярный журнал «Кристалл» – официально зарегистрированное периодическое печатное издание, электронная версия которого публикуется на сайте музея. В 2016 году был издан первый «Каталог коллекции предметов из драгоценных металлов».

Музей является организатором крупных научных мероприятий, среди которых: I и IV Международные конференции «Корпоративные музеи сегодня» (2014, 2018); II Всероссийская конференция «Музеи Крайнего Севера: проблемы, опыт, перспективы» (2011); XVII Ежегодная международная научно-практическая конференция АДИТ-2013; Всероссийская научная конференция «Индустриальное наследие России: междисциплинарные исследования, опыт сохранения, стратегии реновации» (2020); Региональная молодёжная конференция имени В.И. Шпильмана «Проблемы рационального природопользования и история геологического поиска в Западной Сибири» (2013-2020) и др.

С 2011 года Музей геологии, нефти и газа является научно-методическим центром для научно-технических музеев, а также краеведческих музеев автономного округа, имеющих коллекции или предметы науки и техники. В рамках деятельности центра музей осуществляет методическую помощь в вопросах учёта, научной атрибуции и систематизации, сохранности музейных предметов и музейных коллекций. Одним из ключевых проектов, реализуемых на площадке музея, является ежегодный Конкурс Департамента культуры Ханты-Мансийского автономного округа – Югры «Музейный олимп Югры».

Экспозиционно-выставочная деятельность является одним из ключевых направлений в деятельности музея, наиболее полно отражающих его миссию, профиль, общественную и профессиональную позицию. В условиях отсутствия постоянной экспозиции в музее основной упор делается на организацию выставочных проектов.

В Музее геологии, нефти и газа реализуются музейные занятия для детей дошкольного и школьного возраста, просветительские программы для молодёжи и лекционные мероприятия для маломобильных групп населения. Для организации интеллектуального, творческого, культурно-просветительского и семейного досуга детей в период летних каникул с 2013 года реализуется программа «Папина школа»; в период зимних каникул с 2016 года реализуется программа «ТехноЁлка». Музей ежегодно с 2013 года проводит «Беседы не у костра» – встречи ветеранов геологической и нефтегазовой отраслей.

За четверть века своей истории Музей геологии, нефти и газа стал центром популяризации науки с многочисленными интерактивными научно-познавательными площадками. Сегодня музей выступает местом открытия и применения научного знания, площадкой локализации исторической памяти о нефтегазовой эпохе страны, пространством профессионального ориентирования и просвещения среди подрастающего поколения.

Музей геологии, нефти и газа ежегодно является одним из мест проведения официальных мероприятий, посвящённых Дню работников нефтяной и газовой промышленности, с участием Полномочного представителя Президента России в Уральском федеральном округе, руководителей Министерства энергетики РФ, Министерства природных ресурсов РФ и нефтегазовых компаний страны.

Музей геологии, нефти и газа – активный участник общероссийского музейного сообщества: член Союза музеев России (2013), член Российского комитета Международного совета музеев (ИКОМ России) (2015), член Ассоциации содействия развитию научно-технических музеев АМНИТ (2017).