Il primo progetto di musealizzazione del sistema di contromina della Cittadella risale agli inizi del Novecento per opera del colonnello Pietro Magni (1841-1917), le cui ricerche permettono il recupero di un ampio settore delle gallerie della mezzaluna del Soccorso, rese accessibili ai primi occasionali visitatori fin dal 1913.
Nel 1928, il colonnello Umberto Savoja (1884-1954) formula la prima corretta ipotesi circa l’ubicazione della scala detta “di Pietro Micca”, confermata 30 anni dopo, con l’effettiva ricostruzione del teatro e della dinamica dell’episodio, grazie agli scavi condotti dal capitano Guido Amoretti.
Le ricerche di Amoretti, iniziate nel 1956, sono alla base della conservazione dell’intero sistema di contromina della Cittadella, già parzialmente riattivato come ricovero di Protezione Antiaerea (P.A.A.) nel corso della seconda guerra mondiale ma poi nuovamente abbandonato. Gli scavi, iniziati nel 1958, con l’arch. Alessandro Molli-Boffa e il fotografo Emilio Rosso e con la collaborazione del Genio Civile, della Città di Torino, dell’Esercito Italiano e, infine, della RAI, consentono il recupero integrale dei sistemi di contromina della mezzaluna del Soccorso, con la celebre scala di Pietro Micca (1677-1706), e del bastione San Maurizio, minacciati dai cantieri edili aperti sul lato ovest di via Guicciardini. Il nuovo museo, costruito nell’area corrispondente al centro del fronte d'attacco francese del 1706, è inaugurato il 14 maggio 1961, durante le celebrazioni per il Centenario dell’Unità d’Italia.

Il museo, progettato dall’architetto Alessandro Molli-Boffa, è articolato su due saloni sovrapposti, uno al piano terreno e uno interrato, dove sono esposti plastici, stampe, armi e cimeli d’epoca: dal monumento a Pietro Micca di Giuseppe Bogliani, commissionato dal re Carlo Alberto (1798-1849) nel 1834, alla seicentesca carta degli stati sabaudi di Tommaso Borgonio ([1618]-[1691]), fino ai reperti rinvenuti negli scavi della scala di Pietro Micca. La visita prosegue nel sottosuolo, snodandosi lungo le gallerie di contromina della Mezzaluna del Soccorso di cui si percorre un tratto della galleria magistrale, delle due gallerie capitali alta e bassa, del fossato della mezzaluna; il teatro del celebre episodio di Pietro Micca costituisce il punto centrale del percorso museale sotterraneo.
Gestito dalla Città di Torino in convenzione con il Comando della Regione Militare Nord-Ovest, è stato diretto fino al 2008 dal generale Amoretti, attualmente dal generale Sebastiano Ponso. Dal 1968 l’Associazione Amici del Museo Pietro Micca collabora con la Direzione assicurando il servizio di guida per i visitatori e svolgendo attività di salvaguardia, indagine esplorativa, studio e valorizzazione  del patrimonio sotterraneo della Cittadella, esercitate dagli archeologi e da altri membri dell’Associazione sotto la direzione scientifica degli enti preposti alla tutela del patrimonio storico-archeologico.