Khánh thành năm 2010 dịp Đại lễ 1000 năm Thăng Long, bảo tàng thành lập theo Quyết định 592/QĐ-UBND năm 2009.

Tòa nhà có kiến trúc hình kim tự tháp ngược với tầng trên rộng hơn tầng dưới, bên trong có cầu thang xoắn ốc nối bốn tầng. Năm 2016 công trình được ArtNet đưa vào danh sách ba mươi sáu bảo tàng có kiến trúc đẹp nhất thế giới.

Kho bảo tàng có hơn 70.000 tài liệu và hiện vật. Bảo tàng có hệ thống trưng bày thường xuyên gồm 7 chủ đề: Thiên nhiên, Hành trình đến Thăng Long, Thăng Long thế kỷ XI–XVIII, Hà Nội thế kỷ XIX–XX, Kháng chiến, Xây dựng xã hội, Hà Nội hướng tương lai.

Bảo tàng có 6 nhóm bảo vật quốc gia, tiêu biểu là Trống đồng Cổ Loa cùng bộ lưỡi cày đồng phát hiện năm 1982 tại Mả Tre, Cổ Loa, Chuông Thanh Mai đúc năm 798, Long đình gốm Bát Tràng thế kỷ XVII

Bảo tàng còn có chuyên đề "Long Mã khai văn" ở tầng một, trình chiếu 3D và màn hình tương tác và bức tranh 360 độ. Bảo tàng còn có tổ chức các hoạt động sáng tạo, bao gồm triển lãm tranh, workshop.

Bảo tàng phù hợp với đối tượng gia đình có trẻ em, HSSV ưa thích tìm hiểu lịch sử Thăng Long - Hà Nội. Du khách đến tham quan không chạm hiện vật, giữ trật tự, tuân thủ quy định chụp ảnh ở khu trưng bày bảo vật quốc gia. Giá vé: 30.000 VND/người