Inauguré en 1960, le musée de Montmartre a obtenu le label musée de France en 2003 au sens de la loi no 2002-5 du 4 janvier 2002.
La gestion du musée de Montmartre a été confiée en 2011 à la Société Kléber-Rossillon.
On a longtemps cru que la maison du Bel Air était le manoir de Rosimond, où aurait vécu Rose de Rosimond, acteur contemporain de Molière et rejouant ses pièces. Une étude patrimoniale réalisée par GRAHAL (Groupe de recherche art histoire architecture et littérature) en juin 2012 a cependant démontré qu'il n’en était rien.
Les jardins Renoir ont été réaménagés en 2012 selon les toiles que Renoir a peintes pendant son séjour rue Cortot. Ils se composent d’arbres fruitiers, de poiriers et amandiers, d’arbustes, lilas, rosiers et d’hortensias grimpants. De là, on aperçoit la vigne de Montmartre. Cette dernière existait déjà au Moyen Âge mais fut replantée en 1933.
Un vaste programme de réhabilitation a été engagé afin de redessiner les jardins et d’augmenter la surface d’exposition. Il concerne l’hôtel Demarne, immeuble donnant sur la rue Cortot, et l’atelier de Suzanne Valadon et Maurice Utrillo.
Le 17 octobre 2014, le musée de Montmartre a ouvert trois nouveaux espaces : l’atelier-appartement de Suzanne Valadon et Maurice Utrillo, l’hôtel Demarne et le café Renoir. L’exposition « L’Esprit de Montmartre et l’Art Moderne, 1875 - 1910 » (17 octobre 2014 - 25 septembre 2015) est également présentée dans l’hôtel Demarne.