Negli anni Ottanta del Novecento si rese urgente la risistemazione di alcuni settori dei Musei Capitolini in vista del Giubileo del 2000. I mezzi per affrontare i lavori c’erano ma la messa a norma di tutto, dal riscaldamento agli impianti elettrici e idraulici e le opere di allestimento delle collezioni richiedevano tempo: il grande problema che si poneva era dove collocare le collezioni senza sottrarle alla fruizione del pubblico.
La scelta cadde sulla Centrale Montemartini, la più vecchia centrale elettrica pubblica della capitale, nella cui area già era stata ristrutturata una palazzina per ospitare attività culturali e mostre di breve durata. Il Comune di Roma concluse l’accordo con l’Acea, la società municipalizzata proprietaria dell’edificio e, in poco tempo venne allestita una mostra dal titolo Le Macchine e gli Dei, in cui si presentava una vasta selezione delle opere provenienti dal Palazzo dei Conservatori. Gli Dei erano le sculture che rappresentavano divinità e non solo del mondo classico, le macchine erano quelle che si trovavano già nella centrale quando fu dismessa; anch’esse restaurate e pronte per essere presentate al pubblico. In questo caso erano disponibili a fare da sfondo alla presentazione dello straordinario gruppo di opere. La mostra ebbe un successo straordinario e quando si trattò di rimpatriare le sculture e gli altri oggetti in Campidoglio si decise di lasciare alla Centrale alcune opere (in principio le scoperte ottocentesche fatte nella zona di Quirinale e Viminale alle quali si aggiunsero altre opere) e di farne una presentazione permanente. Nel 2001 da luogo espositivo la Centrale Montemartini divenne ufficialmente il secondo polo dei Musei Capitolini.
Si decise di lasciare in questa sede le scoperte ottocentesche e tutto il settore di Viminale e Quirinale rinvenuti nel Novecento e a questi si aggiunsero altri reperti.
Da allora il museo è stato ampliato e arricchito e nel 2016 è stata allestita una nuova sala espositiva nei locali restaurati della seconda sala caldaie per esporre le carrozze del treno con il quale papa Pio IX percorreva la strada ferrata che aveva fatto costruire per raggiungere comodamente Albano.