W 2010 w wyniku międzynarodowego konkursu na projekt nowego muzeum zapadła decyzja o adaptacji i rewitalizacji kaponiery oraz 3,5 ha obszaru Cytadeli Warszawskiej. Wybrano projekt zgłoszony przez pracownię BBGK Architekci, którego autorami byli Jan Belina-Brzozowski i Konrad Grabowiecki. Twórcą koncepcji narracji plastycznej ekspozycji wewnętrznej i zewnętrznej był artysta plastyk Jerzy Kalina.
W latach 2011–2015 w dawnej siedzibie Muzeum Wojska Polskiego (Al. Jerozolimskie 3) prezentowano wystawę pt. Pamięć nie dała się zgładzić... będącą zapowiedzią nowej ekspozycji Muzeum Katyńskiego.
W sierpniu 2015 u zbiegu ulic Krajewskiego i Wisłostrady zamontowano Dzwon Katyński. Dzwon ten ma otwór po przestrzeleniu, a projekt jego wyeksponowania zakłada oświetlenie snopem światła z symbolicznej mogiły u podnóża konstrukcji.
17 września 2015 miało miejsce uroczyste otwarcie muzeum w nowej siedzibie na terenie Cytadeli Warszawskiej. W oficjalnym ponownym otwarciu Muzeum Katyńskiego wziął udział prezydent, premier oraz przedstawiciele władz samorządowych, a także liczne grono Rodzin Katyńskich.