L'archivio storico è strumento di ricerca e conoscenza dell'attività dell'istituzione e delle sue relazioni nel tempo.

Insieme alle collezioni e alla biblioteca, costituisce parte del patrimonio storico del Museo: un sistema di oggetti, documenti, volumi, testimonianze interconnessi che permettono di comprendere la storia della scienza, della tecnologia, dell'industria e della loro rappresentazione culturale a partire dagli anni Venti del Novecento. Già in questo periodo, infatti, il fondatore Guido Ucelli documentava il suo lavoro di studio, costruzione di relazioni istituzionali e raccolta di strumentazione tecnico-scientifica, che porterà all'inaugurazione nel 1953. Nei decenni sono stati acquisiti anche altri archivi (archivi aggregati), che spesso accompagnano come documentazione di studio gli oggetti entrati a far parte delle collezioni. Tra questi, la raccolta documentaria dei primati scientifici italiani, donata dal CNR nel 1950, l'archivio di Enrico Forlanini, con i pioneristici progetti di dirigibili e altri velivoli, e la documentazione sulla scoperta delle navi romane di Nemi, importante opera ingegneristica e archeologica promossa da Ucelli negli anni Trenta. Nel 2010 si è concluso il progetto di riordino e inventariazione dell'Archivio, che ha ricevuto dichiarazione di interesse storico dalla Soprintendenza archivistica e bibliografica della Lombardia. Questo lavoro ha reso l'archivio consultabile sia per il personale interno del Museo sia per ricercatori e ricercatrici esterni. Nel 2013 sono stati pubblicati online gli inventari, in un'ottica di accessibilità pubblica. Archivi online, presentato nel 2023, rinnova questo sistema di consultazione per offrire uno strumento di ricerca più efficiente e più in linea con le nuove esigenze dei diversi pubblici. Archivi online è stato realizzato con il contributo del Ministero dell'Università e della Ricerca nell'ambito del progetto "MUSEO APERTO: Collezioni e risorse educative per una nuova accessibilità".