Construit en 1853, sur les plans de l’architecte Firmin Bourgeois, pour y abriter les orangers du jardin des Tuileries, le bâtiment sera achevé par son successeur, Ludovico Visconti.
En 1920, l'orangerie du jardin des Tuileries est choisie par Claude Monet pour accueillir le cycle des Nymphéas que le peintre vient de donner à l'État. Des travaux d'aménagements sont effectués par l'architecte en chef du Louvre Camille Lefèvre suivant les indications du peintre et ce jusqu'en 1927, date de son inauguration.
En 1965, le musée est transformé pour abriter la collection Walter-Guillaume, cédée à l'État français à condition qu'elle ne soit pas dispersée.
En 2006 des travaux ont été réalisés pour 30 millions d'euros2. Ils ont consisté en la suppression du plancher qui recouvrait les "Nymphéas" depuis 1977 afin de leur redonner un éclairage naturel et en l'aménagement de 1 000 m² en sous-sol de la terrasse des Tuileries, pour un total utilisable de 6 300 m².
Jusque-là service à compétence nationale du ministère de la culture (Service des Musées de France), il est rattaché en mai 2010 au musée d'Orsay au sein de l'Établissement public du musée d'Orsay et du musée de l'Orangerie (nouveau nom de l'Établissement public du musée d'Orsay) 3,2.

Le musée de l'Orangerie se trouve à Paris dans les jardins des Tuileries. C’est avec la proposition de Georges Clemenceau, que Claude Monet choisit d’y installer le grand ensemble mural des Nymphéas, auquel il travaille depuis 1914 et dont il a amorcé dès 1918 le don à la France. Les huit années qui s’étendent de ce geste fondateur à la mort du peintre et à l’ouverture du musée au public sont vouées à de rudes négociations avec les pouvoirs publics, où Clemenceau joue un rôle déterminant, et surtout à l’extension du projet initial. Monet règle lui-même l’aménagement intérieur de cet espace. Le grand ensemble mural des Nymphéas contient huit compositions de même hauteur (2 m) mais de longueur variable (de 5,99 m à 17,00 m) réparties