Le batiment fut construit en 1852 afin d’abriter durant l’hiver les orangers décorant le jardin du palais des Tuileries. Le nouvel édifice voulu par l’empereur Napoléon III est bâti sur la terrasse du jardin bordant la Seine, dite "terrasse du bord de l’eau", en un temps record de quatre mois sur les plans de l’architecte Firmin Bourgeois (1786-1853). l'Orangerie se présente plutôt comme une serre : sa façade sud face au fleuve est vitrée pour recevoir la lumière et la chaleur du soleil. La façade opposée, face à la rue de Rivoli, est presque aveugle afin d’éviter les vents du nord.
Après plusieurs phases de travaux, l’Orangerie devient un musée national indépendant, séparé de la tutelle du Louvre et du Jeu de Paume, dont les collections impressionnistes sont destinées au futur musée d’Orsay.
Georges Clémenceau, alors président du conseil, propose que les "Nymphéas" que Claude Monet est en train de peindre soient installées dans l'Orangerie. C'est un véritable projet afin que les grands panneaux du peintre s'intègrent parfaitement dans les deux salles ovales. L'inauguration aura lieu en 1927.
De 2000 à 2006, la rénovation complète et l'extension du bâtiment en sous-sol permet de présenter la collection Jean Walter et Paul Guillaume, sans toucher à l’installation des Nymphéas. L’étage les surplombant est supprimé ce qui rétablit la lumière naturelle venant du plafond. Le vestibule des Nymphéas est rétabli dans sa forme originale. Les travaux sont retardés et modifiés car des fouilles archéologiques permettent de mettre à jour les vestiges des anciens remparts du jardin des Tuileries : les "fossés jaunes" du XVIe siècle. Un espace d’exposition, une salle pédagogique, un auditorium et une librairie sont également créés.
En 2010, le musée est rattaché au musée d’Orsay.
Le musée de l'Orangerie est situé Jardin des Tuileries Place de la Concorde dans le 1er arrondissement.
