Die rund 20 Museen in Bielefeld zeigen neben der Kunst und den Historischen Sammlungen auch die Industriekultur; ebenso greifen sie andere Themen auf. Das Historische Museum zeigt die Geschichte der Stadt Bielefeld und der Region Ostwestfalen-Lippe, insbesondere die Industriegeschichte. Es ist in einigen Hallen der ehemaligen Ravensberger Spinnerei untergebracht, wodurch es den Besucher in die Zeit der Industrialisierung eintauchen lässt. Es wurde hier 1994 eröffnet, die Sammlung greift auf Vorläuferinstitutionen bis auf die Zeit von 1867 zurück. Die Kunsthalle Bielefeld wurde 1966–1968 durch den Amerikaner Philip Johnson erbaut, da es in Bielefeld kein Gebäude für ein reines Kunstmuseum gab. Die Kunsthalle ist der einzige europäische Museumsbau des bekannten Architekten; sie zeigt vorwiegend moderne Kunst aus dem 20. und 21. Jahrhundert. Des Weiteren finden sich in Bielefeld das Stenner-Museum und die Museum Huelsmann. Es ist ein Museum für Kunstgewerbe, wurde 1995 eröffnet und zeigt unter anderem Porzellan und Schmuck, bis hin zu wissenschaftlichen Geräten, wie Sonnenuhren.

Im Spiegelshof ist das Naturkunde-Museum Bielefeld (namu) untergebracht und zeigt den Aufbau der Erdkruste, einheimische Minerale, Fossilien und vieles mehr. Das Bauernhausmuseum im Teutoburger Wald westlich der Innenstadt (nahe Tierpark Olderdissen) ist das älteste Freilichtmuseum Westfalens und zeigt einige gut erhaltene Bauerngebäude aus der Region Ostwestfalen-Lippe und eine Bockwindmühle. Das Hauptgebäude des Museums brannte 1995 vollständig ab und wurde 1998 durch den historischen Hof Möllering ersetzt. Zeitgenössische Kunst zeigt das Museum Waldhof in Form von Malerei, Bildhauerkunst, Fotografie und Zeichnungen. Das Deutsche Fächermuseum zeigt Fächer sowie entsprechende Accessoires und beherbergt eine Fachbibliothek.

Grundlage der wirtschaftlichen Entwicklung in Bielefeld ist die seit dem 9. Jahrhundert hier nachweisbare Leinenweberei. 1309 schlossen sich die Kaufleute der Wollweber und Tuchhändler zur „Johannisbrüderschaft“ zusammen. Mit dem Eisenbahnanschluss im Jahr 1847 begann die Industrialisierung Bielefelds. Der Hauptgrund war die jetzt mögliche preisgünstige Lieferung von Kohle aus dem Ruhrgebiet, die für den Betrieb der Dampfmaschinen benötigt wurde. Die erste Fabrik gründeten 1851 die Gebrüder Bozi mit der Spinnerei Vorwärts direkt an der Linie der Köln-Mindener-Eisenbahn. 1854 wurde die Ravensberger Spinnerei von Hermann Delius gegründet, die danach eine Zeit lang zur größten Maschinenspinnerei Europas aufstieg. Das Unternehmen zog sich später vom Markt zurück, der stadtbildprägende Bau steht heute unter Denkmalschutz. 1862 entstand die Mechanische Weberei, in der die erzeugten Garne zu hochwertigen Stoffen weiterverarbeitet wurden. 1870 liefen rund 11 Prozent aller Spindeln und Webstühle Deutschlands in Bielefeld.