В конце 1920-х Музей кино был создан в рамках Государственной Академии художественных наук. Но в 1932 году ГАХН упразднили, и собранные Григорием Болтянским ценнейшие материалы (первые киноаппараты, сценарии, эскизы, плакаты) частично разошлись по разным архивам, частично пропали.
В 1947 году, по ходатайству Сергея Эйзенштейна, учреждается Сектор истории кино в Институте истории искусств Академии наук СССР, в 1948 году — киноархив (Госфильмофонд), но создание Музея кино отложено на неопределённое будущее.
В 1960-е годы Правление Союза кинематографистов СССР организует Музейную комиссию под руководством режиссеров Леонида Трауберга и Сергея Юткевича. Союз начинает строительство Киноцентра на Пресне, где должен располагаться киномузей. Строительство затягивается на долгие годы, проект здания много раз пересматривается, но в нем всегда остаётся Музей кино.
В 1984 году по решению Союза кинематографистов в его подразделении – Всесоюзном Бюро пропаганды киноискусства – приступает к работе Музейный отдел, к марту 1989 года реорганизованный в Центральный музей кино. Его рождение совпадает со 100-летием со дня рождения Чарльза Спенсера Чаплина, и леди Уна Чаплин совместно с фирмой «Баблз» дарит Музею фильм «Великий Диктатор» (1940), показом которого 31 марта открывается Большой зал Киноцентра.
В достроенном здании на Пресне располагаются фондовые хранилища, выставочные залы и система кинозалов, в которых начинается показ отечественного и мирового кино по музейным принципам. Директором Музея кино с момента его основания и до 1 июля 2014 года был киновед, историк кино Наум Клейман.
В 1992 году Музей кино становится самостоятельной некоммерческой культурно-просветительской организацией, его учредители — Государственный комитет Российской Федерации по кинематографии, Конфедерация союзов кинематографистов, Союз кинематографистов России и Министерство культуры России, затем к ним присоединяется «Совэкспортфильм». В 2001 году принято решение о придании Музею кино статуса государственного.
В 2005 году Музей покинул помещение «Киноцентра на Красной Пресне». С конца 2005 года фондовые хранилища Музея кино располагались на территории киноконцерна «Мосфильм», а кинопоказы, выставки и другие музейные мероприятия проходили на различных площадках Москвы.
С 1 июля 2014 года директор Государственного центрального музея кино — Лариса Солоницына.
С октября 2014 года одной из официальных площадок Музея кино стал Центральный Дом кино.
22 мая 2015 года между ФГБУК «Государственный центральный музей кино» и ОАО «ВДНХ» заключен договор о долгосрочной аренде павильона ВДНХ № 36.
Открытие обновлённого Музея кино состоялось в 2017 году.
В новом пространстве Музея кино на ВДНХ разместились три кинозала для показа фильмов из коллекции музея, оборудованы зоны для постоянной экспозиции и тематических выставок, аудитории для проведения лекций по истории и теории киноискусства.
Три основных вида деятельности Музея кино:
· Сбор, систематизация и описание предметов по истории кинокультуры
· Организация выставок и экспозиций, связанных с историей кинематографа
· Формирование программ из фильмов, вошедших в сокровищницу отечественного и зарубежного кинематографа или ставших заметными явлениями текущего кинопроцесса.