A primeira tentativa de musealização do espólio da Companhia das Águas de Lisboa deu-se em 1919, através de uma deliberação da Assembleia-Geral. Foi então criada uma divisão responsável pelos trabalhos de desenho, arquivo, biblioteca e museu, onde esteve implícita a obrigação de organizar e conservar uma variedade de peças com características próprias capazes de construir um espaço expositivo.

No final dos anos 30, do século XX, iniciou-se o primeiro processo de inventário com o objectivo de organizar todo um espólio recolhido ao longo de duas décadas.

Mais tarde, em 1950, na sequência da demolição das caldeiras da antiga Estação Elevatória a Vapor dos Barbadinhos, deu-se um processo de remodelação do edifício onde foi construído um primeiro andar nos corpos sul e central, projectado para acolher o arquivo corrente da empresa e instalações do laboratório da empresa. Em simultâneo, foram dados os primeiros passos para a elaboração de um espaço museológico.

Em 1987 foi finalmente instalada uma exposição permanente onde se destacava a história da evolução do abastecimento de água à cidade de Lisboa, desde a presença romana até hoje. Foi exposto um conjunto de peças pertencentes ao acervo da Empresa.

Em 1990 o Museu da Água foi galardoado com o Prémio do Conselho da Europa, sendo o único museu português detentor desta distinção, que destaca o contributo para o entendimento e conhecimento da herança cultural europeia, bem como para a consciencialização da sua identidade.

A primeira exposição permanente manteve-se até Dezembro de 2013, altura em que se iniciaram novas obras de requalificação do edifício da estação elevatória a vapor dos Barbadinhos, com enfoque para as acessibilidades, modernização e actualização do espaço expositivo e adequada musealização do património industrial ali patente.