ساختمانی که این موزه در آن قرار دارد، کاخ موسوم به «مرمر» است که از جملۀ کاخ‌های پهلوی اول به‌شمار می‌رود. استفادۀ گسترده از سنگ مرمر سبزِ مرغوب باعث شده که نام کاخ مرمر بر آن اطلاق شود.

گنبد با شکوه این عمارت که قرینه‌ای از گنبد صفوی «مسجد شیخ لطف‌الله» در اصفهان به‌شمار می‌آید، به‌همراه آرایه‌های کاشی‌های معرق زیبا، حجاری‌ها ماهرانه، گچبری‌های استادانه، نقاشی‌های موزون و گستردۀ روی گچ، خاتم‌کاری‌های پرکار و منحصر به‌این عمارت و آینه‌کاری‌های نغز از ‌این اثر معماری نمونه‌ای ویژه ساخته‌اند.

 اهتمام معماران و تلاش هنرمندان اواخر دورۀ قاجاری و پهلوی اول در احیای هنرهای ملی ایران و تلفیق آنها با معماری و آرایه‌های وابسته به‌معماریِ غیر ایرانی، سیمایی بی‌نظیر به فضاهای درونی و هم بیرونی این عمارت بخشیده است. این سیما به سعی معماران ناموری چون «استاد حسین لُرزاده»، «استاد حیدر سیاه»، «لئون تادوسیان»، «بوریس» و استاد «حاج اکبر کاچار» و هنرمندان چیره‌دستی چون «استاد حسین کاشی تراش اصفهانی»، «محمد حسین صنیع خاتم»، «حسین عبدالباقی کاشانی» و «استاد حسین طاهرزاده بهزاد» ترسیم شد.

کاخ مرمر در 30 خرداد 1357 با شمارۀ 1606 در فهرست آثار ملی ایران به ثبت رسید. این کاخ که به‌جهت سکونت خاندان پهلوی و هم دفتر کار در فاصلۀ سال‌های 1313 تا 1317 ش. ساخته شده بود، پس از انقلاب به‌منزلۀ دفتر کار به نهادهای انقلابی واگذار شد.

در سال‌های پایانی دهۀ 90 با دوراندیشی بنیاد مستضعفان انقلاب اسلامی در اختیار گروه موزه های دفینه قرار گرفت که پس از مرمت تخصصی و بازپیرایی عمارت در اسفندماه سال 1398 ، با اعطای کاربری موزه، این اثر دوباره احیا شد.

 با راه‌اندازی «موزۀ هنر ایران»، تنها موزۀ تخصصیِ هنر ایرانی شکل گرفت. بخش‌های مختلف موزه با عنوان «تالار» نامگذاری شده‌اند:

«تالار هنر کهن»، «تالار هنر باستان یک»، «تالار هنر باستان دو»، «تالار هنر ایرانی اسلامی»، «تالار نقش»، «تالار رنگ»، «تالار آینه»، «تالار ترنج»، «تالار خاتم»، «تالار کتابت»، «تالار صناعت»، «تالار نور» و «تالار نگارین» روایتی تصویری و درعین حال بسیار جذاب و شنیدنی ازفرهنگ و هنر ایرانی را به هر بازدیدکننده‌ای عرضه می‌کنند.