Изначально на месте Арсенала находился павильон «Монбижу», построенный в 1747-1750-х годах по проекту архитекторов Саввы Чевакинского и Франческо-Бартоломео Растрелли. Это было одно из лучших парковых сооружений (созданное в одном стиле с павильоном «Эрмитаж» в Екатерининском парке), с богато украшенными фасадами и интерьерами. Монбижу использовался как охотничий домик и размещался в так называемом Зверинце – на территории, которая использовалась для содержания животных в естественных условиях, а также в качестве охотничьих угодий. Постепенно Зверинец пришёл в запустение, а Монбижу обветшал. В 1817-1834 годах Адам Менелас перестроил его в неоготическом стиле – так появился павильон «Арсенал». Отделку интерьеров создал архитектор Александр Тон. Павильон поражал великолепием: стрельчатые окна с приобретенными в Европе подлинными средневековыми витражами, росписи в интерьерах. Центральное место занимал восьмиугольный «Зал рыцарей», в котором размещалась лучшая часть коллекции оружия, принадлежавшей Николаю I.

В 1883 году по воле императора Александра III это уникальное собрание передали в Императорский Эрмитаж, сейчас оно частично экспонируется в Рыцарском зале Государственного Эрмитажа.

Во время Великой Отечественной войны Арсенал подвергся значительным разрушениям, все послевоенные десятилетия здание находилось в полуразрушенном состоянии.

Проект реставрации павильона выполнил в 2011 году институт «Спецпроектреставрация». Первоочередные противоаварийные работы проведены в 2012 году. Ремонтно-реставрационные работы – с сентября 2014-го по декабрь 2015-го. Подрядная организация – «Ремстройфасад». Стоимость работ, включая проектную документацию, составила 305 млн рублей, практически все средства выделены из федерального бюджета.

При восстановлении павильона «Арсенал» музей принял решение применить современную методику реставрации с элементами консервации.

На основании проекта выполнена реставрация фасадов с сохранением подлинной кирпичной кладки и шовного раствора. В местах восполнения кладки вычинка производилась специально изготовленным кирпичом исторического размера и фактуры. Белая гипсовая разделка швов исторической кладки была укреплена и отреставрирована, а швы восстановленной кладки заполнены только кладочным раствором бежевого цвета, чтобы визуально отделить подлинную кладку от вновь выполненной. Например, глядя на фасад, легко понять, что все зубцы основного объема были выложены заново.

В процессе реставрации выполнены и сохранены на фасаде два зондажа исторической кладки павильона «Монбижу», созданного Франческо-Бартоломео Растрелли в XVIII веке. Полностью восстановлена историческая стропильная система кровли башен и основного объёма. Воссозданы чугунная винтовая лестница (ведущая в одну из башен) и главная лестница из известнякового камня. Также воссозданы полы с использованием подлинных каменных плит, паркеты, дверные и оконные заполнения. Реставраторы опирались на сохранившийся иконографический материал: довоенные фотографии, а также акварели Алоизия Рокштуля – на них ориентировались при подборе цвета для окраски интерьеров.

Один из самых сложных этапов – сохранение кирпичного купола Зала рыцарей. В Великую Отечественную войну крыша над ним была разрушена, в своде образовались две пробоины от осколков, и более 70 лет кирпичная кладка подвергалась воздействию дождя и снега. Тем не менее, проведенные обследования показали, что кладка находится в удовлетворительном состоянии, и было решено ее сохранить. Стропильная система теперь опирается не на купол, а на несущие стены здания. Это значительно облегчило нагрузку на него.

Лепной декор купола в виде «готической» сетки с развитым декоративным «замковым» элементом был полностью утрачен и воссоздан заново по иконографии и фрагментам металлического каркаса для «ребер» готической сетки. Исторический каркас был выполнен из кованых гвоздей по контуру лепного рисунка свода. Реставраторы удалили коррозированные элементы, выполнив новый каркас анкерами из нержавеющей стали. Лепное убранство сводов первого этажа было утрачено не полностью, и часть элементов подлинного декора удалось сохранить на месте. Обработанные горячей олифой без окраски, они отличаются от окрашенной воссозданной лепки.

К сожалению, не сохранились камины и «амосовские» печи, названные так по имени Николая Алексеевича Амосова, который изобрел систему огневоздушного печного отопления. Реставраторы оставили в стенах ниши и тем самым обозначили места, где находились камины и печи. Для того чтобы посетители могли составить представление о том, как эти печи выглядели, будет воссоздана белая изразцовая печь на первом этаже павильона.

Достаточно хорошо сохранилась система водостоков, которые проходят внутри здания. Сохранившиеся трубы отреставрировали. Вода по водостокам попадает в дренаж, а оттуда – в грот, который находится рядом с павильоном.

Здание полностью оснащено инженерными сетями. В соответствии с проектом, в подвальном этаже будут располагаться: входная зона, гардероб, технические и служебные помещения, музейный зал. На первом этаже – выставочные залы, парадная лестница, винтовая чугунная лестница в северной башне. Как и прежде, экспозиционным центром станет восьмиугольный зал на втором этаже – Зал рыцарей.

Для маломобильных посетителей предусмотрены специальные подъемники для входа в музей и подъема на второй этаж.