En 1885, le sculpteur Antoine Bourdelle s’installe dans cet atelier, jardin et appartements.
Au début des années 1920, il souhaite la création d’un musée pour sauvegarder son œuvre et dessine en 1928 plusieurs projets de bâtiments, en imaginant même une muséographie.

Le lieu est transformé en musée en 1949 (20 ans après la mort de l’artiste). En 1951, il est adjoint au jardin sur rue, une galerie en briques de Montauban (ville natale d’A. Bourdelle).
Une première extension a été réalisée par l’architecte Henri Gautruche en 1961 (à l’occasion du centenaire de la naissance du sculpteur) : le grand hall dit « hall des plâtres », à l’emplacement de l’ancien atelier du sculpteur Jules Dalou (voisin de Bourdelle). Il a été aménagé par Michel Dufet (gendre d’Antoine Bourdelle et décorateur).
Une seconde extension a été réalisée en 1992, par l’architecte Christian de Portzamparc.

L’entrée du Musée Bourdelle qui s’effectuait initialement par le jardin, est déplacée vers une nouvelle salle d’accueil en continuité du grand hall. La nouvelle aile comporte quatre niveaux,
soit 1 655 m2 : au rez-de-chaussée une grande salle de sculptures est consacrée à deux œuvres majeures, au premier étage se situe un cabinet d’arts graphiques et un atelier pour les enfants et au dernier étage se trouve une salle de documentation et les bureaux de la conservation.