Усадьба механиков Е. А. и М. Е. Черепановых, включающая дом и флигель, признана памятником архитектуры федерального значения. Двухэтажный каменный дом и флигель были возведены в стиле классицизма в первой трети XIX века, предположительно по проекту архитектора А. П. Чеботарева.

Эта усадьба принадлежала семье Мирона Ефимовича Черепанова, создателя первого русского паровоза. Исторический документ «Уставная грамота Выйского завода на усадьбы и покосы 1862-го года» подтверждает, что владельцем дома был купец Киприян Миронович Черепанов, старший сын Мирона Черепанова. Семья проживала здесь до 1867 года, когда дом был приобретен Выйским медеплавильным заводом для служебных квартир управляющих. В разные годы здесь жили управляющие завода, такие как Осип Залесский, который позже стал профессором Московского технологического института, и Леонид Челышев с семьями. После Октябрьской революции в доме размещались различные советские учреждения, а в конце 1940-х годов его обитателями стали воспитанники детского приёмника-распределителя УВД. В 1984 году дом был передан Нижнетагильскому музею.

Восстановление «Дома Черепановых» длилось двадцать лет, на его продолжительность повлиял экономический кризис 1990-х годов. Весь город участвовал в этом процессе, музей создавался методом народной стройки. В реставрации, благоустройстве территории и создании экспозиции участвовали не только сотрудники музея, но и многочисленные предприятия, организации, учреждения, объединения и частные предприниматели. Свердловская железная дорога сыграла значительную роль в ремонтных работах и комплектовании экспонатов. Творческую группу, разработавшую концепцию музея и его экспозицию, возглавила Л. П. Малеева, заслуженный работник культуры Российской Федерации.

Дом Черепановых впервые открылся для посетителей 12 августа 2004 года. В 2005 году создатели его экспозиции были удостоены областной музейной премии имени О. Е. Клера.

Этот музей предоставляет редкую возможность прикоснуться к традициям тагильских изобретателей и на подлинных экспонатах познакомиться с их биографиями и изобретениями. Здесь можно увидеть уникальные астрономические часы Е. Г. Кузнецова, серебряную вазу, подаренную изобретателю паровых машин Е. А. Черепанову заводчиками Демидовыми, велосипед XIX века и многое другое. Особый интерес вызывают действующие модели паровозов и железной дороги, а также интерактивные выставки по истории техники.