گنجینه تاریخ حرم رضوی قدیمی‏ترین بخش و به عبارتی اولین موزه ای است که برای نمایش آثار مربوط به حرم رضوی اختصاص یافته و مجموعه منتخبی از آثار و نفایس تاریخی و هنری حرم رضوی مربوط به دوره اسلامی را در معرض نمایش دارد. این موزه در سال 1355-1356 شمسی با ساخت و راه اندازی ساختمان موزه مرکزی، از محل ساختمان قبلی به این قسمت انتقال یافت و برای بازدید عموم گشوده شد و به عنوان تنها موزه آستان قدس مجموعه متنوعی از آثار را شامل اشیای کاربردی در حرم مطهر مانند سنگاب تاریخی، درهای چوبی، طلا و نقره، محراب های زرین فام و سایر اشیای مرتبط مانند مجموعه اشیای روشنایی ، ظروف تطهیر و شستشو، پنجره ها، کتیبه های طلا، فرش و منسوجات، سکه، تمبر را در برداشت اما پس از انقلاب اسلامی با توسعه موزه های آستان قدس و گشایش گنجینه های تخصصی مانند قرآن، تمبر، فرش و دستبافت ها، و بالاخره در سال 1378 پس از انتقال کتابخانه مرکزی به محل جدید خود در بست شیخ طوسی توسعه یافت و چهار طبقه ساختمان موزه مرکزی برای نمایش آثار متنوع و با تفکیک موضوعی اختصاص یافت، که طبقه همکف برای نمایش آثار نفیس تاریخی و هنری حرم مطهر امام رضا علیه السلام در نظر گرفته شد. 

در حال حاضر در این گنجینه نفایش ارزشمندی در معرض نمایش قرار دارد. از جمله این اشیا می‌توان به سنگاب خوارزمشاهی، مجموعه ‏ای از درهای چوبی مانند درِ دارالسیاده متعلق به دوره ایلخانی، ضریح دوم و چهارم و پنجره ‏های حرم مطهر، پنجره فولاد (دوره تیموری)، کتیبه مشبک طلا با مضمون سوره انسان متعلق به اولین ضریح امام رضا(ع) که به دستور شاه طهماسب ساخته و بر روی مضجع مبارک نصب شده است، کتیبه‏ های طلا به خط علیرضا عباسی خوشنویس مشهور دوره شاه عباس صفوی با مضمون شعری در مدح امام رضا(ع)، آیه الکرسی و صلوات خاصه، وسایل شستشو شامل گلابدان ها و ابریق‏ ها که در کشیک‏خانه و توسط خدام استفاده می‏ شده ‏اند، وسایل روشنایی شامل قندیل‏ ها و پیه‌سوزها و مجموعه قفل‏ ها اشاره نمود. این آثار مربوط به سده ششم هجری تا دوره معاصر است.