1954년 5월에 미국인 선교사 도익서(都益瑞, Stokes,C.D.)를 설립자로 하여 기독교대한감리회와 미국연합감리회 세계선교부가 협력, 감리교대전신학원(監理敎大田神學園)으로 설립하였다. 초대 교장에 전희철(田熙哲)이 취임하였으며, 개교 당시 6·25전쟁으로 막대한 인적자원의 손실을 입은 한국감리교회가 전후 복구 및 부흥을 위한 지도자가 부족하여 ‘농촌교회 목회자 양성’이라는 제한된 목표를 가진 신학교육기관이었다. 1957년 2월 재단법인 감리교대전신학원이 설립되고, 같은 해 5월 4년제 문교부학력인정학교인 감리교대전신학교로 인가되었다.
1964년 재단법인을 학교법인으로 변경하고 이듬해 1월 감리교대전신학대학으로 개편하였으며, 초대학장에 이호운(李浩雲)이 취임하였다. 1969년 이후 감리교 산하의 신학교육기관으로 일관해온 종래의 성격을 탈피하여 교육목표의 포괄적 확대가 이루어져, 1970년 종래의 신학과 외 최초로 음악교육과가 신설되었다. 1972년 12월 일반대학으로 전환되어 교명을 목원대학으로 변경하고, 미술교육과·영어교육과·국어교육과·기악과·산업미술과·경영학과·수학교육과·상업교육과·행정학과·무역학과·건축미술과·영어영문학과·독어독문학과·불어불문학과·경제학과·응용통계학과·법학과를 편성하였다.
1980년 대학원, 1981년 신학대학원을 설치하고 1983년 회화과·전산정보학과·물리학과, 1984년 화학과·생물학과를 신설하였다. 1993년 종합대학교로 체제를 변경하였으며, 1997년 산업정보대학원을 설립하였다. 1998년 5월 학교법인을 감리교학원으로 변경하여 인가 받았으며 같은 해 6월 건축도시공학부를 유성캠퍼스로 이전하였다가 1999년 2월 전 캠퍼스를 유성으로 이전하였다. 1999년 11월 언론광고홍보대학원과 교육대학원을 신설하여 인가받았다. 2005년 5월 개교 51주년 기념하여 이호운기념관, 도익서 기념관, 남기철 기념관 등 기념관을 헌정하였다. 2006년 2월 사범대학을 새롭게 설치하여 지금에 이르렀다.
2010년 현재 9개 단과대학에 11개 학부 및 39개 학과 17개 전공으로 구성되어 있으며, 일반대학원·신학대학원·산업정보대학원·교육대학원·언론광고홍보대학원 등 5개 대학원이 있다. 2009년 공시정보를 기준으로 할 때 재학생 8,883명, 전임교원 267명, 직원 127명이 있다.
‘진리·사랑·봉사’의 건학이념과 기독교 정신을 바탕으로 하여 ‘국가와 인류사회에 공헌하는 기독교 신앙인 양성, 민주시민의 자질을 갖춘 교양인 양성, 미래사회에 창조적으로 적응하는 전문인 양성, 지역사회에 기여하는 봉사자 양성, 자주적 국가관을 갖춘 세계인 양성’을 교육목표로 하고 있다.
부속기관으로는 출판부·생활관·대학신문사·영자신문사·대학방송국·학군단·산학협력단·교수학습센터가 있으며, 부속교육기관으로는 평생교육원과 국제교육원이 있다. 또한 사회과학연구소·테크노과학연구소·인문과학연구소·신학연구소·건축도시연구센터·조형예술연구소·생체,환경과학기술연구센터·다문화사회통합연구교육센터·미생물생태자원연구소 등 10개의 연구소가 설치되어 운영 중이다.
매년 5월 ‘목원제(牧園祭)’를 개최하며, 59개의 동아리를 중심으로 활발한 학생활동이 이루어지고 있다. 대학신문 『목원대신문(牧園大新聞)』은 1962년 10월에 창간되어 현재 격주로 발간되고 있으며, 자매지인 영자신문 『목원타임즈(The Mokwon Times)』도 간행되고 있다.