Nato dalla collaborazione di studiosi e artisti nel 1993, il Museo vide la luce sotto l’egida dell’Armand Hammer Center for Leonardo Studies dell’Università di California a Los Angeles. L’esposizione, concepita come trasposizione sia concreta che virtuale del "Museo Immaginario", è stata ufficialmente riconosciuta come Museo d’Interesse Pubblico nel 1999.

É il primo museo che si propone di ricostruire la complessa personalità di Leonardo in ognuno dei suoi molteplici aspetti e campi d’interesse. La sua attività di artista, scienziato, inventore e designer è illustrata in costante riferimento alla biografia e ai luoghi da lui conosciuti. Questo viaggio nella mente e nell’opera di Leonardo è reso possibile da un’esposizione nella quale trovano sistemazione tutte le riproduzioni dei capolavori pittorici, i facsimile dei suoi manoscritti e persino una campionatura delle impronte digitali del genio vinciano. Unico nel suo genere è l’"Archivio Leonardismi", la più estesa raccolta esistente di reperti e documenti sull’uso e l’abuso dell’immagine di Leonardo dall’arte ai mass media.

Della collezione fanno parte anche originali come alcuni dipinti della bottega e scuola di Leonardo, fra cui la Madonna delle Minime, la Maddalena, il Cristo giovane di anni dodici, e rari strumenti in uso all’epoca di Leonardo in Toscana, come il "Ritrecine di Leonardo". A testimonianza della fortuna leonardesca fra i suoi contemporanei sono presenti nell’esposizione anche rare incisioni fra cui due "Nodi" del 1505-1507 incisi da Dürer su disegno di Leonardo. Completano il percorso museale oltre 60 modelli ricostruiti ad arte in base ai suoi progetti, alcuni dei quali realmente funzionanti, come orologi, fontane, la "casa del pittore", il teatro della "Montagna che si apre" ed altre meraviglie del "Leonardismo" fra i quali cimeli d’epoca e due autografi di Duchamp.

Recentemente riallestito, ha sede nella Galleria sotterranea e nell’Antica Cantina del Castello dei Conti Guidi, con ingresso da Via Montalbano 2.

È in corso l’attuazione del progetto "Giardino di Leonardo e dell'utopia", pensato come sezione a cielo aperto del Museo, situato in Via Collinare, a poche centinaia di metri dal centro storico di Vinci.