Դիլիջանի երկրագիտական թանգարան-պատկերասրահը հիմնադրվել է 1950-ական թվականներին, Դիլիջանում մշակութային կյանքը ակտիվացնելու նպատակով։ Սկզբնական շրջանում այն գործել է որպես երկրագիտական թանգարան, որտեղ ներկայացվել են Տավուշի տարածաշրջանի բնական հարստությունները՝ հանքային նյութեր, բուսաշխարհ, կենդանական աշխարհ, ինչպես նաև բնակչության կենցաղն ու ավանդույթները։
1960-ականներից սկսած՝ թանգարանը համալրվել է արվեստի գործերով, և ձևավորվել է պատկերասրահի բաժինը։ Այստեղ ցուցադրվում էին հայ դասական և ժամանակակից արվեստագետների աշխատանքներ, այդ թվում՝ Մարտիրոս Սարյանի, Վարդգես Սուրենյանցի, Գաբրիել Գյուրջյանի և այլոց ստեղծագործությունները: Այսպիսով, թանգարանը դարձել է ոչ միայն բնագիտության, այլև կերպարվեստի յուրօրինակ հանգրվան Դիլիջանում։