Die Thürlmühle war eine von zeitweise neun Mühlen der Stadt Weilheim. Ursprünglich stand sie am Stadtbach, westlich außerhalb der mittelalterlichen Befestigung Weilheims. Ihr Name leitet sich von einem kleinen Durchlass, einem „Thürl“ in der Stadtmauer ab.
Mitte der 1970er-Jahre wurde sie abgerissen. Das Museum hat sie neu errichtet und von 1976 bis 2017 als Eingangsgebäude genutzt. Der Dachstuhl ist original, der Innenausbau erfolgte unter Verwendung von historischem Baumaterial unterschiedlicher Herkunft.
Heute beherbergt die Thürlmühle unter anderem die umfangreiche Fachbibliothek des Museums. Als Präsenzbibliothek mit Beständen zu museumsspezifischen Themen ist sie nach Voranmeldung öffentlich zugänglich.
