Создан в 1988 году как филиал Воронежского областного краеведческого музея. С 1991 года по решению Воронежского областного исполнительного комитета существует как государственное учреждение культуры Природный архитектурно-археологический музей-заповедник «Дивногорье». В 1998 году по постановлению администрации Воронежской области была образована охранная зона. Площадь музея 1 100 гектаров.

Дивногорье включает территорию историко-культурного и природоохранного назначения с особым режимом использования и охраны. Впервые Дивногорье упоминается митрополитом Пименом, совершавшим путешествие по реке Дон в 1389 году и увидевшим белые каменные столбы (Дивы) над рекой Сосна. В XVII веке о расположенном на территории заповедника Маяцком старинном городище говорилось в строельной книге города Коротояк.

С XIX века исследования на территории Дивногорья велись краеведами и учеными-археологами М.П. Труновым, А.И. Милютиным, Н.Е. Макаренко, С.А. Плетневой. В 1978-1982 годах исследование вела советско-болгаро-венгерская экспедиция.

На площади музея расположены памятники федерального значения: пещерные меловые церкви середины XVII века в Больших и Малых Дивах. В середине XIX века была сооружена пещерная церковь «Дивногорская-3». В состав музея входит Маяцкий археологический комплекс (памятник середины IX-X веков), памятники археологии эпохи бронзы II тысячелетие до н.э. (курганные группы и поселения), стоянка людей эпохи верхнего палеолита. К памятникам природы относятся меловые столбы - Дивы, уникальные ландшафтные образования, реликтовая растительность, насекомые-эндемики.

В границах заповедника находится действующий мужской Свято-Успенский Дивногорский монастырь. Ведется реставрационная, экскурсионно-туристическая, издательская, научно-методическая, деятельность.

В фондах музея около 11 000 единиц хранения.