博物馆的馆藏最早可上溯至1920年代，当时的伦敦公共巴士公司（London General Omnibus Company）决定保留两辆马车巴士和一辆早期的机械巴士，为博物馆的成立铺路。到1960年代，伦敦运输局当局曾于伦敦南部的克拉咸（Clapham），将一处废置的巴士车库改建成为“英国运输博物馆”（The Museum of British Transport），后来在1973年，博物馆又迁往伦敦西部的西昂公园（Syon Park），并更名为“伦敦运输局馆藏”（The London Transport Collection）。

在1980年，博物馆正式迁至现址柯芬园，并更名为“伦敦的运输博物馆”，开幕当日更获安妮公主亲临主礼。伦敦运输博物馆曾于1993年进行复修，至2000年的时候，为了突显博物馆以伦敦交通为主体，因此更名为“伦敦运输博物馆”。但在2007年馆方又决定复用旧名。

在2005年9月4日，伦敦运输博物馆闭馆，以进行一项大规模的翻新工程。整项工程动用上186万英镑，并由英国文化遗产彩票基金所赞助，博物馆后于2007年11月22日重开。