En 1862, M. Ferrières lègue à la ville de Nogent sa collection « d'objets d'art, de tableaux et de médailles qu'il s'était plu à former ». Il est suivi par Mlle Clara Filleul de Pétigny qui lègue trois de ses tableaux. C'est le noyau du futur musée qui prend place au dernier étage de la mairie. 

En 1910, une vaste salle contiguë à la bibliothèque est affectée à l'installation du musée. Des dons et quelques achats viennent enrichir cette collection, mais aucun inventaire n'est véritablement tenu (peut-être celui-ci a-t-il disparu). La seule trace précise qui nous parvienne de l'ensemble des objets présents dans ce musée est contenue dans une série d'articles parus en 1935 dans le journal Le Nogentais. Ils décrivent le musée de l'époque à travers une énumération où les objets d'histoire naturelle, fossiles et minéraux côtoient les documents d'histoire locale et les objets de curiosités.

Le petit musée de l'hôtel de ville continue sa vie. Lorsque le château Saint-Jean est acheté par la ville de Nogent en 1950 et qu'un ensemble de travaux est mené pour le remettre en état, la décision est prise d'y transférer le musée. L'inventaire des « collections d'archéologie, préhistoire, gallo-romaine et haut moyen âge du musée de NOGENT-le-ROTROU» est établi en 1957 par M. G. Gaudron, inspecteur principal des Musées de province. En 1958, les services des musées du Mans dressent l'inventaire des autres collections.

Le musée est alors inauguré le dimanche 10 mai 1959 avec une exposition « Sully » dans une salle rénovée du château. Les anciennes collections du musée de l'hôtel de ville sont en partie et progressivement installées dans les années soixante dans les salles tandis que la majorité d'entre elles est mise en réserve. Puis, le « musée du Perche » est inauguré en 1972, présentant des collections liées essentiellement au monde rural et artisanal dans le Perche du XIXe et début XXe siècles.

Depuis mai 2019, le musée est désormais consacré à l’histoire du Perche, retraçant 1000 ans d’histoire. Il éclaire l’histoire du château, de la cité de Nogent-le-Rotrou et le Perche, tout en replaçant le territoire au cœur de l’histoire nationale et internationale.