Восточный флигель главного заводоуправления, где находится историко-краеведческий музей, признан памятником архитектуры федерального значения. Это двухэтажное здание в стиле позднего классицизма было возведено в 1829-1830 годах по проекту известного уральского архитектора А. З. Комарова, а строительством руководил окружной архитектор А. П. Чеботарев. В 1874 и 1887 годах архитектор К. А. Луценко провел частичную реконструкцию здания. В этом флигеле ранее размещались архив демидовского заводоуправления, первая библиотека Нижнего Тагила, лаборатория, а также некоторое время Музеум естественной истории и древностей, основанный П. Н. Демидовым в 1841 году. С 1928 года здесь располагается краеведческий музей.

Краеведческий музей был восстановлен в 1924 году, его директором стал А. Н. Словцов, преподаватель горно-металлургического техникума. Сотрудники музея того времени провели значительную работу по сбору и систематизации экспонатов как из бывшего горнозаводского музеума, так и новых артефактов. В последующие годы музейщики внесли большой вклад в изучение истории края и пополнение коллекций, которые стали основой для создания новых музеев в рамках музея-заповедника, открытого в 1987 году.

Историко-краеведческий музей, являясь прямым продолжателем Музеума естественной истории и Горнозаводского музеума, представляет экспозиции с фамильными портретами Демидовых, выполненными известными российскими и западноевропейскими художниками, а также знаменитые демидовские раритеты и рекламную продукцию Тагильских заводов XIX века. Кроме того, экспозиция рассказывает о древнем заселении края, демонстрирует уникальные деревянные предметы с Горбуновского торфяника возрастом до пяти тысяч лет и освещает освоение Урала русским населением в XVI-XVII веках.

Действующая экспозиция, созданная в 1992 году, охватывает все важные этапы развития края с древнейших времен до 1917 года. Второй этаж здания используется для сменных выставок.