Det statsejede Nationalmuseet i Prinsens Palæ er Danmarks kulturhistoriske hovedmuseum med udstillinger om Danmark fra oldtiden til i dag. Museets samlinger rummer over 2 mio. genstande og er organiseret i fire overordnede administrative enheder. Samlingerne tæller bl.a. Antiksamlingen, Danmarks Oldtid, Den Kongelige Mønt- og Medaljesamling, Danmarks Middelalder og Renæssance, Danmarks Nyere Tid, Etnografisk Samling og en samling for krig og besættelse. De ældste genstande stammer tilbage fra Ole Worms samling af forskellige rariteter, som senere blev indlemmet i Det Kongelige Kunstkammer, grundlagt af Frederik 3. i ca. 1650.
En række genstande fra Nationalmuseets oldtidssamling stammer fra Oldnordisk Museum, som åbnede på loftet af Trinitatis Kirke i 1818 og udsprang af den Oldsagskommission, der var nedsat allerede i 1807. Til grund lå bl.a. en fornyet interesse for landets historie, der var koblet til den begyndende nationalstatsdannelse i 1800-tallet. En stor nationalfølelse og ivrighed blandt almindelige danskere for at finde og indsende oldtidssager fik hurtigt samlingen til at vokse. Det var samlingens sekretær og senere leder, Christian Jürgensen Thomsen, der fandt på at inddele oldtidsgenstandene i tre tider: stenalder, bronzealder og jernalder. Et inddelingsprincip, som fortsat benyttes.
I 1820’erne blev den store kongelige samling af forskelligartede rariteter, Det Kongelige Kunstkammer, opløst, og indholdet fordelt på nyoprettede kunst-, kultur- og naturhistoriske museer. Omkring 10.000 genstande fra kunstkammerets nordiske oldtidssamling blev i ca. 1844 indlemmet i Oldnordisk Museum, som nu lå på Christiansborg Slot. Kunstkammerets etnografiske samling og dens antiksamling blev overflyttet til Prinsens Palæ i hhv. 1849 og 1851, og hertil flyttedes også Oldnordisk Museum i 1855. Kunstkammerets samling af mønter og medaljer blev flyttet til palæet i 1867. I 1892 stiftedes Nationalmuseet med en afdeling for hver samling.
Det kulturhistoriske museum Dansk Folkemuseum, grundlagt af Tivolis daværende direktør Bernhard Olsen i 1881, blev i 1920 underlagt Nationalmuseet. I 1934 blev en genopstilling af udstillingerne fra Dansk Folkemuseum indviet.
Ud over Prinsens Palæ har Nationalmuseet seks andre besøgssteder i Københavns Kommune. Museum for Danmarks Frihedskamp 1940-45 blev givet til Nationalmuseet ved indvielsen i 1957. I 2020 åbnede det nye Frihedsmuseum i anledning af 75-året for Danmarks befrielse. Det oprindelige museum brændte i 2013, men museets samling og arkiver blev reddet. Nationalmuseet har siden 1969 foretaget rundvisninger i Klunkehjemmet tæt på museet, som er en fuldt møbleret herskabelig lejlighed i klunkestil fra perioden 1890-1914.
Krigsmuseet i Christian 4.s tøjhus med den 156 m lange Kanonhal fra 1604 har været en del af Nationalmuseet siden 2014. Museet er en sammenlægning af Orlogsmuseet fra 1957 og Tøjhusmuseet fra 1928 og viser udstillinger om Danmarks krige og deltagelse i internationale operationer, den danske flåde samt genstande som kanoner og køretøjer.
Nationalmuseets øvrige attraktioner er Christiansborg Slot, herunder Repræsentationslokaler, De Kongelige Stalde, Christiansborg Slotskirke, Det Kongelige Festkøkken og Ruinerne under slottet. Kongernes Lapidarium åbnede i 2014 i Christian 4.s Bryghus. I samarbejde med Nationalmuseet åbnede Brumleby Museum i 2018. Det viser en af de ældste og bedst bevarede brugsforeninger i landet.
