De collectie van het Pieter Vermeulenmuseum is ontstaan uit een verzameling natuurhistorische voorwerpen, bijeengebracht door Pieter Vermeulen (1843-1922), een onderwijzer, die bij het ontstaan van IJmuiden verbonden was aan een christelijke lagere school, die later zijn naam zou dragen. Een van zijn zoons, Frederik Pieter (Frits) Vermeulen (1870-1964), werd later - als secretaris van de Vereniging van Reders van Vissersvaartuigen te IJmuiden - tussenpersoon tussen enerzijds het Zoölogisch Museum en het Aquarium van Artis te Amsterdam en anderzijds de IJmuidense vissers voor alle bijzondere vondsten, welke door hen in hun netten werden aangetroffen. De dubbele exemplaren werden teruggezonden, waardoor de verzameling van Pieter Vermeulen kon worden aangevuld. Na de Tweede Wereldoorlog werd de collectie door Frits Vermeulen overgedragen aan de gemeente Velsen, waarbij bedongen werd, dat de verzameling toegankelijk moest worden gemaakt voor het onderwijs en waarbij het museum de naam van zijn vader zou moeten dragen. Hiertoe werd in 1952 de Stichting Pieter Vermeulenmuseum opgericht. Deze slaagde erin om in 1954 in enkele daartoe gehuurde zalen van het Cultureel Centrum aan het Moerbergplantsoen te IJmuiden het museum in te richten. In 1955 volgde de opening voor het publiek. In 1979 verhuisde het museum naar de naastgelegen, voormalige Insingerschool, waar het - in oktober 1980 geopende - museum verderging als natuurmuseum, met aandacht voor de ontstaansgeschiedenis van IJmuiden. De Stichting Pieter Vermeulenmuseum werd op 1 januari 1990 opgeheven. Het museum werd onderdeel van de gemeente Velsen en kwam bij de afdeling Groen, Reiniging en Milieu. Omdat de gemeenten Heemskerk, Beverwijk en Velsen een regionale milieudienst oprichtten maakte het museum vanaf 1998 deel uit van deze gemeenschappelijke regeling. In 2000 besloot de gemeenteraad om het museum weer in de gemeentelijke organisatie op te nemen en als vrijwilligersmuseum voort te zetten.
