Сначала музей обосновался в арендованном доме на Пречистенке, но довольно скоро обнаружилось, что помещение слишком мало, и тогда встала проблема строительства своего, специально приспособленного для музея здания.
Политехническую выставку 1872 года устраивало Императорское общество любителей естествознания, антропологии и этнографии на частные средства, без участия государства. Строительство Музея прикладных знаний, хотя его польза для развития народного хозяйства была совершенно очевидна, государство финансировать также отказалось. Поэтому комитет выставки всю работу по устройству музея принял на себя и обратился за помощью к различным общественным организациям и частным лицам.
Московская Городская дума бесплатно выделила для строительства здания музея земельный участок размером около пяти гектаров на Лубянской площади между Шиповским домом и Ильинскими воротами. В то время здесь было порожнее место, занимавшееся в периоды сезонной торговли временными торговыми рядами и палатками.
Архитектурный проект музея сделал архитектор Ипполит Антонович Монигетти, Морской павильон которого на выставке 1872 года вызвал всеобщее восхищение.
И. А. Монигетти (1819–1878) родился в Москве, окончил Строгановское училище и Академию художеств, имел квалификацию художника-архитектора и звание академика. Он работал архитектором Царскосельского придворного ведомства, проектировал парадные комнаты Аничкова дворца, строил дворцовые здания в Петербурге, Ливадии, возвел несколько церквей «в византийском стиле». Крупнейшим специалистом Монигетти считался в области дворцовых интерьеров.
Проект Монигетти Политехнического музея был принят Комитетом с большим удовлетворением. Архитектор создал настоящий дворец просвещения, каким и должен быть музей, он был грандиозен, монументален и удобен для размещения и демонстрации экспонатов. Впечатляла богатая и изящная внутренняя отделка. Будучи москвичом и прекрасно представляя место, где располагается музей, близость Китайгородской стены, Ильинских башенных ворот, церквей XVII века Николы Большой Крест и Георгия Великомученика, что в Старых Лучниках, Монигетти оформляет фасад здания по мотивам русского архитектурного декора парадных каменных построек XVII века и народной деревянной резьбы.
Строительство ввиду недостатка средств велось в три очереди, первой строилась центральная часть. Она была закончена к 1877 году, и 30 мая этого года состоялась торжественная церемония открытия музея.
Политехнический музей сразу стал достопримечательностью Москвы. Его фотография вошла в знаменитый найденовский альбом «Москва. Виды некоторых городских местностей, храмов, примечательных зданий и других сооружений», изданный в 1884 году.
Возможность продолжить строительство здания Политехнического музея представилась лишь через десять лет. В 1887–1896 годах по проекту архитектора Н. А. Шохина было выстроено южное крыло.
Но северо-западная часть участка, отведенного для строительства Политехнического музея, оставалась огороженным пустырем почти тридцать лет, и только в 1903 году началось строительство третьей очереди музея. Эта часть музея, по замыслу Монигетти, предназначалась под аудитории, и главным ее помещением был большой лекционный зал.
Начать строительство этого корпуса музей смог благодаря инициативе и энергии инженера-архитектора Георгия Ивановича Макаева. Он выполнил архитектурный проект северо-западного крыла, организовал акционерное общество, в которое привлек ряд состоятельных купцов и промышленников, отдал на строительство все свои сбережения.
Между проектами Монигетти и Макаева — тридцать лет, эти архитекторы принадлежали к столь отдаленным одно от другого поколениям (Макаев был моложе Монигетти на 52 года!), что о сходстве и непосредственной преемственности вкусов не могло быть и речи. Но они принадлежали к одной архитектурной национальной традиции, которая в своем естественном развитии, не копируя и не воспроизводя скрупулезно формы предшествующих образцов, позволяет создавать произведения внешне отличные от них и в тоже время связанные друг с другом внутренне.
Г. И. Макаев был классическим и чистым представителем стиля модерн. Построенный им в 1903–1904 годах доходный дом в Подсосенском переулке (№ 18) принадлежит к числу наиболее характерных зданий московского модерна. Работы по строительству северного крыла музея завершились в 1907 году.
Главное помещение новой части музея — Большой зал (или, как его называли сначала, Большая аудитория) открылся в 1908 году. О нем писали тогда: «Новая Большая аудитория Политехнического музея является лучшей аудиторией в Москве». И это было действительно так, аудитория была идеально приспособлена для чтения популярных лекций. Она обладала замечательными акустическими свойствами, расположенные возвышающимися над сценой амфитеатром скамьи для зрителей, прослужившие до 1966 года и только тогда замененные креслами, давали возможность каждому присутствующему видеть, что происходит на сцене, сцена была оборудована для демонстрации физических и химических опытов, висела таблица с Периодической системой элементов Менделеева, через застекленный потолок в зал проникал дневной свет. Ввиду высоких достоинств аудитории Комитет Политехнического музея постановил поместить в ней памятную доску с именами ее строителей. Эта доска, к сожалению, не сохранилась, но известен ее текст: «Аудитория сооружена в 1907–1908 годах по проекту и под наблюдением инженера Анатолия Александровича Семенова, при ближайшем сотрудничестве архитектора И. П. Машкова, З. И. Иванова и инженера путей сообщения Н. А. Алексеева».
Ко времени открытия Большой аудитории лекционно-просветительская деятельность Политехнического музея имела прочные традиции, так как она началась с самого основания музея. В 1872 году Комитетом музея сразу же было определено направление деятельности — доступность без снижения научного уровня и указан адресат — самые широкие демократические слои населения, стремящиеся к самообразованию. В большинстве случаев лекторам удавалось успешно разрешить поставленные задачи.
В один из первых сезонов цикл лекций «О жизни растений» (затем переработанных в знаменитую книгу, выдержавшую десятки изданий, «Жизнь растений») прочел К. А. Тимирязев. Разные годы, разные темы лекций, но удивительно единство впечатления: почти всегда говорят о том, что лектор — ученый, или общественный деятель, или литератор — «совершенно овладевал аудиторией», и единственное объяснение этому: на лекциях речь шла о том, что по-настоящему интересовало людей, что отвечало запросам и духу времени, и говорилось об этом серьезно и честно.
Новая аудитория Политехнического музея сразу же приобрела большую популярность у москвичей. Лекции в ней читали крупнейшие ученые — Н. Е. Жуковский, К. А. Тимирязев, П. Н. Лебедев, П. П. Лазарев, Н. А. Умов, И. И. Мечников, Д. Н. Анучин, В. И. Вернадский и другие, их лекции несли в публику передовые научные идеи и знания. Состав постоянных посетителей лекций был исключительно демократичен: трудовая интеллигенция, студенчество, передовые рабочие (последнее, надобно сказать, вызывало тревогу у правительства).
В Политехническим музее наряду с сугубо научными конференциями, симпозиумами проходили «народные чтения». Политехнический музей стал тем научным центром, где находили поддержку изобретатели и ученые, отвергнутые официальными научными учреждениями, среди них были, например, П. Н. Яблочков — изобретатель лампы накаливания и К. Э. Циолковский.
Если в начале существования лектория при Политехническом музее — в 1870–1880-е годы — в нем лишь изредка читались лекции по гуманитарным наукам (в частности, историк С. М. Соловьев прочел курс «Общедоступные чтения о русской истории»), то с течением времени, особенно в предреволюционные годы, в Большой аудитории музея все чаще проходят литературные вечера, выступают с лекциями литературоведы, писатели. С большим успехом прошла лекция К. И. Чуковского «Искусство грядущего дня» о поэтах-футуристах, профессора П. С. Когана «Новая поэзия и демократия», А. С. Серафимовича «О русском писателе», посвященная творчеству писателей-реалистов, и, наконец, начинают выступать с чтением своих произведений писатели и поэты: еще до революции здесь выступали В. Я. Брюсов, И. А. Бунин, В. В. Маяковский и другие. Большая аудитория Политехнического музея стала самой популярной трибуной современной поэзии.
Рассказывая о вечерах поэзии в первые послереволюционные годы, все современники говорят о переполненном зале, о толпе жаждущих попасть на вечер перед входом, которым не досталось билетов, о милиционерах, наводящих порядок, о царившей в зале атмосфере заинтересованности, неравнодушия. Устраивались персональные вечера крупнейших писателей и поэтов. Но особенное внимание привлекали вечера коллективные, на которых выступали поэты различных школ и направлений.