La nascita del Museo è legata al salvataggio dei modelli in legno e delle fusioni artistiche, che si conservavano ancora nello stabilimento ex Ilva nel 1970, quando i macchinari delle fonderie vennero asportati e demoliti. L'intervento di alcuni cittadini consentì di strappare alla distruzione un centinaio di calchi lignei e di getti di ghisa, fra cui molti "colonnotti" scanalati, due coppie di delfini, alcune roste e battenti a testa di leone, varie mensole, una splendida testa di ariete e diversi scansaruote.
Il Museo venne inaugurato nel mese di novembre nel 1970 nella sede provvisoria di Via Fratti, dove rimase fino al maggio del 1974. Trasferito, insieme alla Biblioteca, nell'ex Officina meccanica, vi restò sino all'ottobre del 1995, quando fu spostato in Via Zara, dove fu allestita un'adeguata esposizione, con il supporto di una ricca documentazione fotografica e cartografica. Al principio del 1998 i reperti sono tornati dentro le fonderie e hanno trovato la sede definitiva nel Forno di San Ferdinando.
Il Museo, insieme alla Pinacoteca Civica, fa parte della Rete Museale Provinciale Musei di Maremma.
Dal 2005 è una Porta del Parco Nazionale delle Colline Metallifere Grossetane.