1831年8月22日，克里姆林宫博物馆在俄罗斯国家机关中的地位被沙皇尼古拉一世的一道圣旨而彻底改变，甚至连名称也被改变，从那时起博物馆被称作“莫斯科兵器库”。

博物馆交由莫斯科宫廷事务所管理，该事务所根据尼古拉一世的圣旨而成立，取代了原来的克里姆林宫建设管理处，受皇宫事务部管辖。

与1806年时的状况相比，这一时期博物馆的独立性受到很大局限。根据莫斯科宫廷事务所章程，兵器库“将不再作为单独的政府机关，而是并入莫斯科宫廷事务所，作为存放兵器、贵重文物和其它珍惜物品的场所”。

博物馆的人员组成也发生很大变化，设置了博物馆馆长和两个馆长助理职务。馆长人选由皇宫事务部提议，经沙皇圣旨任命，馆长助理由皇宫事务部直接任命。

与之前的博物馆主管相比，兵器库馆长的职权受到很大限制。他无权直接觐见沙皇，所有涉及兵器库的事情都要呈报给莫斯科宫廷事务所，在事务所审议相关事宜时其他官员有与馆长同样的发言权。

兵器库馆长及其助手为文物损毁承担个人责任。根据1831年的章程，他们事实上已不再具有行政人员资格，而只承担文物保管的职责。

莫斯科兵器库的首任馆长由原博物馆主管乌沙科夫少将担任，直至1841年。此后，担任该职务的有扎戈斯金（1842-1852），韦尔特曼（1852-1870），索洛维约夫（1870-1879），塔雷津（1879-1886）。

19世纪50年代，博物馆馆藏的登记和保存体系开始完善。1858年《莫斯科兵器库管理条例》出台，一直沿用至1917年。

在韦尔特曼领导下，博物馆开始编撰第一份科学系统的馆藏清单。这一清单由博物馆工作人员花费数十年才完成，直至今日都对兵器库的科学研究具有重大意义。这一时期，博物馆开始为有规划性的科研工作奠定基础，成立了科学图书馆。1858年，出于对馆藏品进行科学考证的需要，博物馆设立了档案保管员一职。这一时期还多次出版了博物馆参观指南。

1867年，兵器库参加了在巴黎举行的世界博览会，首次将自己的展品在境外展出。

1851年，根据建筑师托恩的规划设计，兵器库新馆建成，并一直沿用至今。