L’edifici del Museu Martorell es va construir, entre altres motius, per tenir cura de les col·leccions que l’antiquari i arqueòleg Francesc Martorell i Peña (Barcelona 1822-1878) va cedí a l’Ajuntament de la ciutat. Tot i que l’any 1874 l’arquitecte Josep Fontserè és qui rep l’encàrrec del projecte, el projecte definitiu data del desembre de 1878 i va a càrrec de l’arquitecte Rovira i Trias. L’obra s’inicia l’abril de l’any següent i acaba tres anys més tard. La inauguració es va fer coincidir amb les festes de la Mercè d’aquell any, el 25 de setembre de 1882, però les escultures s’hi van anar col·locant al llarg del 1883. No es té constància que durant l’Exposició Universal de Barcelona de 1888 l’edifici tingués gran importància però si que es pot dir que va ser el primer museu públic de Barcelona i de Catalunya.
L’edifici és una construcció formada per tres cossos diferenciats: un cos central, de planta aproximadament quadrangular, amb soterrani, planta baixa i dos pisos d’alçada; i dues ales laterals rectangulars i simètriques, d’una sola planta i espai sota coberta. Referent a les façanes, la façana principal s’orienta al Parc de la Ciutadella i hi destaca la composició del cos central inspirat en els temples grecs (amb un atri de sis columnes dòriques, entaulament i frontó triangular que condueix cap al vestíbul del museu). La façana del passeig Picasso reprodueix els esquemes compositius de la façana principal però com que originalment es tractava d’un accés secundari a l’edifici, el cos central no conté el pòrtic de recepció. Les façanes de les naus laterals s’ordenen a partir d’un ritme regular d’obertures i pilastres que descansen sobre un sòcol i totes les façanes estan aplacades amb carreus de pedra de Montjuïc.
Després de l’Exposició Universal, poc a poc es va fer evident que l’espai del museu quedava petit per acollir totes les col·leccions de què disposava i l’any 1916, es va constituir el Museu de Catalunya de Ciències Naturals, amb la finalitat de reordenar les institucions dedicades a aquest camp existents a la Ciutadella (el Museu Martorell, l’Hivernacle, l’Umbracle, el Parc Zoològic i el Castell dels Tres dragons). Al llarg dels anys, les intervencions que s’hi ha anat fent han estat de manteniment (coberta, tancament, fusteria, desguassos...) així com petites accions puntuals per modernitzar el museu (contradictòries amb un edifici vell que necessitava una reforma integral). L’any 2010, el museu es va tancar al públic i, després de la rehabilitació necessària, ha reobert el febrer del 2024 com a centre d’exposicions temporals.
Principalment, el nou projecte afegeix un nou accés pel passeig Picasso que dona transparència a l’edifici i el connecta visualment amb el barri del Born. La rehabilitació és un primer pas del projecte de la Ciutadella del Coneixement que recupera la idea original del Parc de Fontserè (1872) on hi situava instal·lacions culturals de caràcter científic.
