В доме, где сейчас расположен музей, с 1916 по 1968 год проживал выдающийся химик-органик и основоположник химии фосфорорганических соединений, академик Александр Ерминингельдович Арбузов (1877-1968). До 1955 года здесь также жила семья его старшего сына, известного ученого-химика, академика Бориса Александровича Арбузова (1903-1991).

Уникальность музея заключается в сохранении подлинной бытовой обстановки, оставшейся неизменной со времен проживания семьи Арбузовых. В экспозиции представлены мебель, библиотека, картины, написанные А.Е. Арбузовым, фотографии, переписка ученых с родственниками и коллегами, рукописи научных статей и выступлений, а также подлинные документы. Все это позволяет окунуться в атмосферу времени, в котором жила семья Арбузовых, и лучше понять биографии этих замечательных людей. Посетители могут осмотреть мемориальные комнаты, такие как гостиная, столовая, кабинет Б.А. Арбузова, кухня и спальня, а также веранду, декоративный садик и комнату с дополнительной экспозицией, посвященной жизни и деятельности А.Е. и Б.А. Арбузовых.

Коллекция музея организована по персоналиям: А.Е. Арбузов, его старший сын Б.А. Арбузов, младший сын Ю.А. Арбузов, дочь И.А. Арбузова, К.Л. Мюфке, известный архитектор, и другие близкие родственники и ученые. Особый интерес у посетителей вызывают личности академиков Арбузовых, их человеческие качества, привычки, литературные и музыкальные интересы, а также семейные традиции и взаимоотношения с родственниками.

Отдельно представлен раздел "Казань, колыбель русской органической химии", который демонстрирует преемственность традиций, начиная с основателей научного направления Зинина и Клауса, и до наших дней.

Здание музея, построенное примерно в 1913 году, является образцом городской усадьбы в стиле русской эклектики или модерна. Оно не подвергалось перестройке, сохранив все архитектурные детали, внутреннюю планировку и отделку помещений. До революции дом принадлежал М.Д. Алексеевой, племяннице известного русского художника И.И. Шишкина.