Изначально был дворцом Петра, а также называвлся Красными Хоромами.Сооружение построено в 1703 г. неизвестными строителями-плотниками, материалом стал сосновый лес, отделанный по типу шведского деревянного дома и раскрашенный под кирпич. Домик Петра не только первое жилое здание Санкт-Петербурга, но и единственное сохранившееся с тех времён строение из дерева.. Первая защитная галерея возведена по указу Петра I в 1723 году по проекту Доминико Трезини. Позже, в 1844, она заменена каменным футляром. В домике выставлены личные вещи Петра I и материалы, повествующие о событиях Северной войны и основании Петербурга. В 1875 году перед зданием установлен бронзовый бюст Петра I, а Домику присвоен статус историко-мемориального музея. Во время Великой Отечественной войны музей был закрыт, его окна и двери заколотили листами фанеры, зашили досками и, для большей маскировки, закрасили серой масляной краской. За сохранением музея следили дежурные. Уже в сентябре 1944 года Домик первым среди всех музеев Ленинграда открылся для посетителей.
В послевоенные годы выполнены восстановительные работы. Проведён капитальный ремонт «футляра», стены и потолки домика затянули новым холстом. Также отреставрировали забор вокруг музея.
В 1958 году в «футляре» устроили отопление, что позволило организовать круглогодичное посещение музея. В 1971—1975 производилась научная реставрация.
Экспозиция музея составлена из двух разделов: самого домика и выставки в «футляре». В кабинете, столовой и спальне Домика представлены подлинные вещи, принадлежавшие Петру I, а также предметы быта начала XVIII века, материалы о событиях Северной войны 1700—1721, основании Петербурга, а также материалы о строительстве и реставрации самого памятника.