Die Anfänge des Museums gehen zurück auf die 1860er Jahre, als die Westfälische Berggewerkschaftskasse (WBK) eine ständige Ausstellung Bergbaulicher Utensilien in Bochum einrichtete, die hauptsächlich dem Bergschulunterricht diente. Ende der 1920er Jahre wurden von Vertretern der WBK und der Stadt Bochum Überlegungen zur Gründung eines öffentlich zugänglichen Bergbau-Museums entwickelt.
Der Gründungsvertrag für das Geschichtliche Museum des Bergbaus wurde am 1. April 1930 zwischen der Stadt Bochum und der WBK geschlossen; als erste Halle des Museums diente die alte Großviehschlachthalle des stillgelegten Bochumer Schlachthofs. Auf dem Gelände des Schlachthofs wurde 1935 nach Entwürfen von Fritz Schupp und Heinrich Holzapfel ein Neubau des Museumsgebäudes mit zusätzlicher Ausstellungsfläche ausgeführt. Im Jahre 1936 begann man mit dem Bau des Anschauungsbergwerks.
Im Jahr 1943 wurden die noch nicht vollendeten Museumsbauten durch alliierte Luftangriffe weitgehend zerstört, das Anschauungsbergwerk für den Luftschutz umgebaut. 1946 wurde das Museum mit einer kleinen Ausstellung wiedereröffnet. In den 1950er Jahren wurde das Museum neu aufgebaut und erweitert, 1960 waren die Strecken des Anschauungsbergwerks auf einer Gesamtlänge von 2.510 Metern ausgebaut.
In den Jahren 1973 und 1974 wurde das Fördergerüst der stillgelegten Zeche Germania von Marten nach Bochum umgesetzt. Die Umsetzung wurde aus dem Etat des Nordrhein-Westfälischen Kultusministeriums bezahlt.
Im Jahr 1976 wurde das bisherige Bergbau-Museum in Deutsches Bergbau-Museum Bochum (DBM) umbenannt, 1977 wurde es von der Bund-Länder-Kommission für Bildungsplanung und Forschungsförderung (BLK) als Forschungsmuseum anerkannt und in die gemeinsame Forschungsförderung von Bund und Ländern aufgenommen. Es gehört seither zu den Instituten der Blauen Liste.
Auch in den Folgejahren wurde das Museum ständig erweitert und die Forschung um weitere Themen ergänzt. Am 6. Dezember 2009 wurde der Schwarze Diamant, ein Erweiterungsbau für Sonderausstellungen, eröffnet. Das Bauwerk mit seiner markanten tiefschwarzen und bei Sonneneinstrahlung glitzernden Fassade, entworfen von Benthem Crouwel Architekten, stellt sich als Schnitt durch ein Stollensystem dar.
Seit 2016 wurde das Museum saniert und umgebaut; dadurch waren die Ausstellungen nur teilweise zugänglich. Am 13. Juli 2019 wurde die Umgestaltung erfolgreich abgeschlossen. Durch die neu konzipierte Dauerausstellung führen vier Rundgänge: Steinkohle, Bergbau, Bodenschätze und Kunst.