Am 6. Oktober 2018 wird das Museum in seiner heutigen Form eröffnet.
Es steht in der Tradition des am 25.09.1988 von Erwin Roth geschaffenen ersten Museums in Mayers Geburtshaus und dem daraus erwachsenen, erneuerten Museum in den gleichen Räumlichkeiten, das am 22.06.1997 eröffnet wurde. 20 Jahre später konnte das Museum erweitert werden und umfasst heute neben dem Raum im Geburtshaus ein Ausstellungsgebäude im daran anschließenden Haus Göckelhof 2, das auf dem Grundstück des ehemaligen Breitenbücherhauses errichtet wurde.
Im Haus Torgasse 13 wurde am 17. Februar 1723 Tobias Mayer geboren, sehr wahrscheinlich in der ersten Etage. Das Erdgeschoss diente dem Vater als Werkstatt, in der er als Wagner und Brunnenbauer tätig war. Sein Beruf führte die Familie wahrscheinlich Anfang 1724 nach Esslingen, wo er eine Stelle als städtischer Brunnenbauer erhielt. Tobias wuchs in Esslingen auf.
Das Haus in Marbach war 1711 auf dem „Scheurenplatz“ errichtet worden, der zum Hause Göckelhof 2 gehörte. Ein Teil des Kellers dieses Hauses lag unter diesem Bauplatz. Es wechselte mehrfach den Besitzer, bis Erwin Roth es 1980 von der Stadt kaufte und zum Gedenken an Tobias Mayer dort erstmals ein Museum einrichtete. Der von Roth gegründete Tobias Mayer Verein erwarb 2012 das Nachbarhaus, in dem bis 2011 Hermann Breitenbücher als Obstbauer und Marktbeschicker lebte. Das Haus war um 1700 erbaut worden; im Güterbuch der Stadt Marbach findet sich der Eintrag: „Ein Haus- und Scheurenplatz bei der Teutschen Schul“. Es erlebte mehrere Umbauten, insbesondere in den 1930er Jahren, als eine ganze Wand einstürzte und neu errichtet werden musste. Das Haus wurde 2015/2016 abgerissen und an seiner Stelle der heutige Museumsbau errichtet.
Das bisherige Museum im Erdgeschoss des Geburtshauses wurde am 22. 6. 1997 in der heutigen Form eingerichtet. Die Ausstellung zeigte auf 9 Tafeln Stationen aus Mayers Leben in Marbach und Esslingen und informiert über seine Arbeiten zu Mathematik, Festungsbau, Kartographie, Geographie, Astronomie, Farbenlehre und Längenpreis. Das Museum zeigte neben der Nachbildung des Astrolabiums auch den Mondglobus von Tobias Mayer.