В 1956 году было принято решение о создании краеведческого музея в Сарове. Первоначально музей разместился в здании, где сейчас находится лесхоз. Хотя это здание не подходило для музейной работы ни по планировке, ни по размерам, удалось создать небольшую экспозицию «Животный мир нашего края».

Позже появилась новая экспозиция «История развития жизни на Земле», которая особенно нравилась детям. Поэтому сотрудники музея долго не решались ее изменить.

Многие горожане помнят маленькие фигурки первобытных людей и древних животных, выставленные за толстыми стеклами с водой. Со временем при музее сформировалась группа энтузиастов-краеведов, которые начали ездить по окрестностям, а также в Арзамас и Горький, чтобы найти экспонаты, отражающие историю города. В одной из таких поездок была приобретена уникальная рукописная карта Саровской лесной дачи 1867 года. В 1967 году музею предоставили помещение бывшего кинотеатра «Москва», и началась работа над историческими разделами экспозиции. В фойе бывшего кинотеатра, превращенном в выставочный зал, прошла первая выставка произведений горьковских художников. Основное направление работы музея, сохранение и использование историко-культурного наследия города, памятников культуры и истории, а также развитие культурных и художественных традиций местного населения и популяризация народных промыслов и ремесел. Через 10 лет основной фонд музея увеличился на 5 тысяч единиц хранения, было сформировано более десяти коллекций, включая археологическую, этнографическую, нумизматическую, естественно-научную, живопись, графику и декоративно-прикладное искусство.

К 1994 году в музее было пять экспозиций: «Деревенский быт», «Ветераны войны, жители города», «Участники гражданской войны, жители города», «Животный мир края» и «Происхождение жизни на Земле». В 1997 году, благодаря поисковой работе сотрудников музея, были созданы новые экспозиции: «История Саровского монастыря», «Крестьянский быт конца XIX, начала XX века», «Городской быт рубежа веков» и «Город в годы войны». В 1998-1999 годах добавились экспозиции «Так начинался город», «Их имена в названии улиц», «Почетные граждане города» и «Конверсия градообразующих предприятий», где использовалось более 200 документов и фотографий из личных архивов ученых и рассекреченных архивов Ядерного центра. В 2000 году были оформлены экспозиции «Животный мир Нижегородского края» и «Многообразие животного мира планеты», популярные среди школьников, а в 2001 году, археологическая экспозиция «Средневековое Саровское городище». В 2003 году появились еще три экспозиции: «Пребывание Николая II в Сарове в 1903 году», «Вещее слово старца Серафима» и «Город в 1953 году». В 2004 году к юбилею города была подготовлена фотодокументальная выставка «Город нашей судьбы». Особый интерес вызывает коллекция скульптурных антропологических реконструкций академика М. М. Герасимова, подаренная музею. Это пять уникальных экспонатов, представляющих реконструкцию облика первобытных людей по их черепам. Этнографическая коллекция активно пополняется предметами музейного значения. В музее представлены образцы мордовской и нижегородской народной одежды, демонстрирующие её эстетические достоинства, богатство вышивки и ткачества. Также постоянно пополняются фонды документальных материалов по истории города и коллекция живописи местных и нижегородских художников. В настоящее время в музее проводятся экскурсии по 40 темам основной экспозиции. Ежегодно в выставочном зале на улице Юности открывается выставка «Художники Сарова», где жители могут увидеть картины, выполненные маслом и пастелью, акварельные работы, изделия декоративно-прикладного искусства, батик, керамику, вышивку, кружева и скульптуры из дерева и гипса.