Construit en 1661, l’hôtel appartient alors à Jacques Nourry, seigneur de Croixfontaine et secrétaire des commandements du duc d’Orléans. Pierre Delisle Mansart, neveu de François Mansart, est l’architecte de cet ouvrage.
Il ne prend le nom d’hôtel de Mortagne qu’à la suite de son achat par Antoine de Coliers, comte de Mortagne, en 1711.
Jacques de Vaucanson y réside ensuite. Son ambition est de pouvoir y exposer une collection d’automates de sa fabrication, et différentes collections ayant trait à l’artisanat et à l’industrie.
Il mène une vie débauchée, et prend pour maîtresse une nonne de l’abbaye de Longchamp qui aurait servi de modèle à Diderot pour l’héroïne de la Religieuse (1796). En 1783, Louis XVI fonde dans l’hôtel le premier musée des Arts et Métiers.

Ce sera une des bases du futur Conservatoire et musée des Arts et Métiers qui s’installera en 1794 dans l’ancienne abbaye Saint-Martin (3e arrondissement). Depuis 1928, les deux façades sur cours de cet hôtel particulier sont classées Monument historique. Il est aujourd’hui transformé en appartements.
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