Folgende Ankäufe bzw. Schenkungen sind besonders hervorzuheben:

• Die Sammlung Hermann Ambronn, zusammengetragen bis zu seinem Tode 1940, enthielt alle Haupttypen der 300-jährigen Geschichte der Mikroskope.

• Die Sammlung Albert von Pflugk brachte 1939 eine schon für die damalige Zeit sehr wertvolle Brillensammlung sowie Ölgemälde, Grafiken und Münzen mit Brillendarstellungen ein.

• Die Sammlung Richard Greeff bestand aus ophthalmologischen Instrumenten und Geräten, Teleskopen sowie Brillen und kam 1922–1924 zum Museum.

• Die Sammlung Moritz von Rohr ergänzte die Museumssammlung 1922 um Fernrohre und Brillen.

Das Optische Museum wurde im Juni 1922 als Einrichtung der Carl-Zeiss-Stiftung gegründet und zog im Oktober 1924 vom Volkshaus in die gerade errichtete Augenoptikerschule am Carl-Zeiss-Platz 12 um. Die beachtliche Sammlung an historischen Mikroskopen und Fernrohren konnte sich bereits damals mit dem Bestand des Deutschen Museums in München messen, war als Lehrsammlung allerdings nicht für die Öffentlichkeit zugänglich. Während des Zweiten Weltkriegs litten die ausgelagerten Bestände unter den schlechten Lager- und Transportbedingungen bei der Unterbringung in einem stillgelegten Bergwerk. Nach intensiven Restaurierungsarbeiten wurden die Sammlungen im Jahr 1965 der Öffentlichkeit erstmals im neu eröffneten Optischen Museum im Griesbachschen Gartenhaus präsentiert. Die begrenzten räumlichen Verhältnisse bedingten 1976/77 den Umzug der Ausstellung in das Gebäude der Augenoptikerschule am Carl-Zeiss-Platz 12, in dem bereits das Depot des Museums untergebracht war. Durch die Erweiterung der Ausstellung konnte ein wesentlich breiteres Spektrum historischer und neuzeitlicher optischer Instrumente präsentiert werden.

1988 wurde anlässlich des 100. Todestages von Carl Zeiss die historische Zeiss-Werkstatt als Bestandteil des Optischen Museums eröffnet, sie nahm große Teile der Kulisse des siebenteiligen Fernsehfilms „Die gläserne Fackel“ auf. Damit war eine Umbenennung in „Zeiss-Museum“ verbunden, die 1991 jedoch wieder rückgängig gemacht wurde. Im Juni 1992 ging das Museum in die Trägerschaft der neu gegründeten Ernst-Abbe-Stiftung über. Schrittweise erfolgte eine Neugestaltung der Ausstellung, sodass in zwölf Ausstellungsbereichen auf einer Fläche von ca. 730 Quadratmetern mehr als 2.000 Exponate präsentiert wurden.

Die „Stiftung Deutsches Optisches Museum“ übernahm die Trägerschaft des Museums im Juli 2018 und führt unter dem Namen „Deutsches Optisches Museum“ eine vollständige Neuausrichtung des Museums durch.