Строительство Политехнического музея продолжалось с 1871 по 1903 год. Разные части музея строились по проектам архитекторов Ипполита Монигетти, Николая Шохина, Георгия Макаева и других архитекторов. Большая аудитория Политехнического музея открылась в 1907 году и сразу стала важным центром культурной жизни. В 1913—1916 годах с трибуны Большой аудитории выступали Маяковский, Бурлюк, Бунин, разгорались диспуты о путях развития современной культуры. 

В 1918 году здесь проходили острые дискуссии между символистами, имажинистами, футуристами, на которых выступали Белый, Крученых, Хлебников, Есенин, Мариенгоф, Брюсов. С этой же трибуны в 1910-1920-х годах читали стихи Ахматова, Цветаева, Блок, Пастернак, Чуковский. Бурные литературные баталии и многолюдные поэтические вечера прекратились в середине 1920-х – когда репертуар Большой аудитории Политехнического полностью стал диктоваться требованиями официальной пропаганды и идеологической цензуры.После установления советской власти Большая аудитория Политеха не раз становилась местом проведения показательных политических процессов.

В августе 1920 года здесь проходил процесс по делу антибольшевицкого «Тактического центра». По воспоминаниям Мельгуновой: «…публику пускали по билетам, каждой из нас дали на руки по 6-12 билетов, причем мы должны были предварительно записать всех, кому их раздадим с адресами, степенью родства и т. д.». Некоторые из обвиняемых до процесса не дожили, перед судом предстали 28 участников коалиции (в т.ч. С.Мельгунов, Н.Щепкин, С.Трубецкой), из них 19 были приговорены Революционным Трибуналом ВЦИК к расстрелу — с заменой на тюремные сроки.

26 апреля – 8 мая 1922 здесь проходили заседания Революционного Трибунала по Московскому церковному процессу. Сопротивление изъятию церковных ценностей, спровоцированное советской властью, стало поводом для начала серии процессов над священнослужителями и мирянами. 4 мая заседание Политбюро, заслушав вопрос «О московском процессе в связи с изъятием ценностей» постановило «дать директиву Московскому трибуналу немедленно привлечь [патриарха] Тихона к суду», а также поручило «т. Троцкому от имени Политбюро сегодня же инструктировать редакторов всех московских газет о необходимости уделять несравненно большее внимание этому процессу и, в особенности, выяснить роль верхов церковной иерархии».

5 мая патриарх Тихон был вызван в трибунал свидетелем. При появлении патриарха в Большой аудитории, по воспоминаниям очевидцев, три четверти публики безмолвно поднялось с мест. Патриарх держал себя с достоинством, говорил спокойно и ясно, взял на себя всю ответственность за написание и распространение воззвания от 28 февраля 1922 года, опротестовывавшем насильственное изъятие церковных ценностей. Трибунал, под председательством М. Бека, настойчиво добивался от патриарха признать воззвание незаконным. Патриарх возражал: «С точки зрения советского закона – незаконно, с точки зрения церковной – законно».

Трибунал, в соответствии с директивой Политбюро, вынес частное определение о привлечении патриарха к уголовной ответственности и аресте. 11 человек были приговорены к расстрелу; из них 5 расстреляны, остальным расстрел заменен 5 годами заключения. Еще 23 человека приговорены к различным срокам заключения.

В 1960-е годы Большая аудитория Политехнического музея снова стала центром культуры, став одним из символов «хрущевской оттепели».Здесь выступали Булат Окуджава, Владимир Высоцкий, Андрей Вознесенский, Белла Ахмадулина, Евгений Евтушенко и многие другие. Именно Большой аудитории Вознесенский посвятил стихотворение «Прощание с Политехническим». 

Масштабная модернизация исторического здания Политехнического музея на Лубянской площади началась в 2013 году. В настоящее время отреставрированы все фасады, открыт амфитеатр перед северным фасадом, а также проход от амфитеатра к метро.

Завершилась научная реставрация основной части предметов мебели, которая входит в комплекс «Историческая химическая лаборатория Политехнического музея».