Créé le par Dina Vierny, la muse du sculpteur Aristide Maillol, il présente de nombreuses œuvres de Maillol, ainsi qu'une collection d'art moderne du XXe siècle en peinture, sculpture et dessin. Les expositions temporaires sont consacrées à l'art des XXe siècle et XXIe siècle.
Dina Vierny demande à l'architecte Pierre Devinoy de concevoir l'aménagement intérieur du musée.
Jusqu'en 2020, le musée est exploité par l'entreprise Culturespaces, filiale du groupe Engie (ancien GDF-Suez). La fondation Dina Vierny-Musée Maillol a été reconnue d'utilité publique par l'État français. Elle est reconnue comme fondation dans le droit américain.
En 1964, Dina Vierny fait don à l'État des sculptures monumentales de Maillol. André Malraux, ministre de la Culture, les installe en plein air dans les jardins des Tuileries. La même année, elle crée sa fondation dont le but est de faire connaître au public l'œuvre d'Aristide Maillol.
Le , le musée Maillol est inauguré dans un hôtel particulier du 7e arrondissement de Paris, l'hôtel Bouchardon. Sa rénovation, dirigée par Dina Vierny et l'architecte Pierre Devinoy, aura duré plus de quinze années. Il réhabilite à cette occasion les sous-sol pour y accueillir le restaurant qui était auparavant depuis 1951 le Cabaret La Fontaine des Quatre-Saisons, ouvert par les frères Jacques et Pierre Prévert.
L'espace du musée Maillol offre aujourd'hui quelque 4 250 m² de superficie. Outre les salles consacrées aux œuvres de Maillol et aux collections permanentes, des espaces permettent d'accueillir des expositions temporaires.
En , l'établissement est en crise à la suite de la liquidation judiciaire de la société Tecniarte, qui organisait toutes les expositions de la galerie depuis la mort de Dina Vierny, en 2009. L’exposition sur « Le Baiser dans l’art : de la Renaissance à nos jours », prévue à partir du , est officiellement reportée.
En 2016, le musée reprend ses activités avec une programmation confiée à Culturespaces (Engie) qui met fin à son contrat en 2020.
En 2021, la réouverture du musée est gérée directement par les héritiers de Dina Vierny, avec le soutien de l'opérateur culturel belge Tempora.
À partir de 2015, le musée est géré par l'organisme Culturespaces, créé par Bruno Monnier[2]. Culturespaces s'engage à concevoir deux expositions temporaires par an, gérer l’accueil du public et le parcours des collections permanentes, organiser la billetterie, les espaces commerciaux, boutique et café[2]. L'objectif étant de remettre en valeur les fondateurs du musée : Aristide Maillol et Dina Vierny[3]. Le contrat de gestion qui liait Culturespaces à la Fondation Dina Vierny-musée Maillol prend fin le 1er novembre 2020.