Политехническая гимназия была открыта 1 сентября 1992 года по инициативе её директора Валентины Павловны Исаевой, при поддержке руководства Нижнетагильского металлургического комбината.
24 января 1996 года приказом директора был создан Центр по организации музея, и назначен его руководитель. В 2001 году музей гимназии вошёл в состав Ассоциации школьных музеев «Наследие» г. Нижний Тагил, а 9 января 2002 года ему было присвоено звание «Школьный музей».
Музей Политехнической гимназии имеет собственный логотип и девиз: «Уважение к минувшему – вот черта, отличающая образованность от дикости» (А.С. Пушкин).
С 2009 года музей располагает двумя выставочными залами с мобильными экспозициями, которые обновляются 2–3 раза в год. Единственная постоянная экспозиция посвящена Великой Отечественной войне и роли города Нижний Тагил в Победе. Среди экспонатов представлены снаряды, выпускавшиеся тагильскими заводами, одежда и предметы быта фронтовиков, а также модель танка Т-34 — символ благодарности рабочим Уральского танкового завода №183.
За время своей работы музей выпустил 5 альманахов с историями более чем о 500 участниках Великой Отечественной войны и тружениках тыла — родственниках гимназистов и педагогов.