Постоянная музейная экспозиция открылась в мае 1920 года. Вход в музей был бесплатным. За период до 1927 года сотрудникам удалось не только изучить и описать музейную коллекцию, но и опубликовать материалы краеведческого характера, а также собрать большое количество новых экспонатов. Например, живопись К. П. Брюллова, Ф.-Х. Гау, Г. Г. Мясоедова, К. А. Коровина, П. П. Кончаловского; саксонский фарфор, английский фаянс Веджвуда, фарфор русских фабрик.
В период Отечественной войны экспозиции музея были свёрнуты, наиболее ценные экспозиции эвакуированы в г. Курган. В музее развернули художественную выставку «Героическая оборона Тулы».
Для посетителей музей вновь открылся в феврале 1947 года. В послевоенные годы музей активно пополнял свою коллекцию и к 50-летию празднования Великой Октябрьской социалистической революции открылись новые экспозиции. Всего на тот момент насчитывалось три основных экспозиционных отдела:
природы;
истории досоветского периода;
истории советского общества.
20 декабря 2013 года Тульский областной краеведческий музей вновь открылся после длительных масштабных ремонтно-реставрационных работ. Визитной карточкой музея является скульптура В. Я. Меньшова «Куликовская битва». В конце 2013 года на втором этаже музея открылись новые экспозиции «Першинская охота» и «Воинская слава туляков», которая располагается в двух залах и состоит в первом зале из четырёх исторических событий: от наконечников копий и створки креста-энколпиона с Куликовского поля — до пистолета с ударно-кремнёвым замком Тульского оружейного завода 1813 года; от наград туляков-участников боя крейсера «Варяг» матроса А. И. Кузнецова и корабельного священника М. И. Руднева — до документов и наград руководителя обороны Тулы, члена военного совета 50-й армии В. Г. Жаворонкова.