Нижнетагильский железоделательный завод был основан в 1725 году династией Демидовых и включал в себя полный цикл производства металла: от подготовки железной руды и древесного угля до выплавки чугуна, железа и меди. На территории завода также функционировали хозяйственные и ремонтные службы, кирпичная и лесопильная фабрики. После открытия Новотагильского металлургического завода на заводе имени Куйбышева начали осваивать новые доменные технологии для производства качественного чугуна. В период Великой Отечественной войны здесь выпускали феррохром, ферромарганец и нержавеющую ленту для авиастроения. В 1957 году завод вошёл в состав НТМК и оставался одним из крупнейших в Европе до октября 1987 года, когда его работа была торжественно завершена. Символические ключи от завода передали Нижнетагильскому музею-заповеднику горнозаводского дела Среднего Урала.

Музей на базе закрытого завода открылся в январе 1989 года. В 1992 году ему передали часть территории завода вместе с инфраструктурой и исторической зоной, что позволило создать музейный комплекс площадью 30 гектаров.

Завод-музей включает экспозиции, демонстрирующие основные этапы металлургического производства: доменный цех, прокатное производство, мартеновский цех, энергетическое хозяйство, оборудование для механической обработки металла и литейного дела. Также представлены выставки заводской техники и подвижного состава XIX и XX веков. Музей частично сохранил облик зданий XVIII и XX веков, включая доменную и мартеновскую печи, водяную турбину и мостовой кран 1892 года, водяные лари и доменный корпус начала XIX века.

Выставка заводской техники включает образцы оборудования 1920-1930-х годов, а также лиственничные брёвна, сохранившиеся с момента строительства плотины и завода, поднятые при реконструкции плотины в 1992 году. Плотина, построенная в 1721 году и неоднократно перестраивавшаяся, также хорошо сохранилась.

В состав музея входят: доменный цех, энергетический цех, прокатный цех, цех металлоконструкций, листобойный цех, контора ремонтно-монтажного цеха, кузница, мартеновский цех, заводская контора, механическая фабрика, конюшенный двор, разливочная машина и конно-спортивная площадка.

Завод-музей признан памятником индустриального наследия России регионального значения.