Fondé en 1861 par Georges Agassiz, c’est en 1886 que le Musée de Saint-Imier devient une véritable institution communale et s’installe dans le haut du collège secondaire. C’est notamment sous l’impulsion de Louis Rollier, maître de sciences naturelles (1880-1890), et avec l’aide financière d’Agassiz que se fait ce déménagement. Le musée est alors administré par une commission. Ses collections s’étoffent peu à peu, notamment par de nombreux legs de familles du Vallon (par exemple Jules Guédat, le pasteur L. Morel de Berne ou encore la famille Blancpain). Louis Rollier va, quant à lui, léguer une importante collection de pièces de l’Egypte ancienne et vendre au musée une collection de pièces géologiques. Alfred Vernier (président de la commission du musée dès 1886) va constituer l’essentiel de la collection de numismatique ainsi que quelques étonnants spécimens d’animaux empaillés (notamment un zèbre) provenant d’une de ses relations, un taxidermiste parisien. En 1924, il reçoit les œuvres du peintre Rodolphe Christen, originaire de Saint-Imier. Dans les années 1930, le musée reçoit aussi des pièces issues de l’expédition d’Albert Monard en Angola. Plus récemment, il a reçu l’intégralité des œuvres du peintre Henri Aragon que ce dernier avait encore en sa possession.

En 1958, faute de place, le musée doit fermer ses portes, et ses collections se retrouvent à prendre la poussière dans les combles du collège. Dès 1996, la commission du musée et son conservateur Francis Béguelin (dès 1995) travaillent pour remettre en valeur les collections et les sortir de l’ombre. Des travaux commencent en 2001, et le « nouveau » musée est inauguré en décembre 2002 dans les bâtiments annexes de la Tour Saint-Martin (locaux du Relais culturel d’Erguël).

L’exposition permanente comprend différentes sections : sciences naturelles, militaires et cadets, numismatique, dentellerie, horlogerie, sport et beaux-arts. En parallèle, on peut y voir régulièrement des expositions temporaires.

De juillet 2017 à la fin de l'année 2019, le musée ferme ses portes afin d'effectuer d'importants travaux de rénovation et d'agrandissement, notamment pour accueillir un nouvel espace dédié à l'histoire des Troupes jurassiennes (une présentation préparée par Walter von Känel), ainsi qu' un réaménagement complet de l'exposition permanente, qui inclut une nouvelle section sur le mouvement de l'anarchisme.