1954년에 미국인 감리교 선교사 도익서(都益瑞:C.D.Stokes)가 1954년 한국동란으로 피폐해진 우리 나라의 부흥에 이바지할 청년들에게 고등교육을 실시하여 기독교 정신을 바탕으로 국가와 사회에 헌신할 인재 양성을 위해 감리교대전신학원으로 설립하였다. 교훈은 진리, 사랑, 봉사이다. 같은해 5월 4일 전희철 초대교장이 취임하였다.

1957년 4년제 문교부학력인정학교인 감리교 대전신학교로 개편되었다가 1965년 감리교 대전신학대학으로 승격되었다. 1972년 교명을 목원대학으로 변경하였고, 1981년 11월 25일 신학대학원 설립인가(석사학위과정 신학과 정원 80명)으로 받았다.

1993년 3월 1일 종합대학으로 인가받아 목원대학교로 승격(6개 단과대학, 30개학과, 2개대학원)되었다. 1964년 1월 25일 재단법인 감리교 대전신학원을 학교법인 대전신학원으로 변경인가 받았다. 1996년 9월 4일 지금의 위치(대전광역시 서구 도안동 산40-1번지외 91필지 및 유성구 용계동 산24-1번지)에 새 캠퍼스 건축허가를 받아 새 교사를 건설하기 시작하였고 1999년 2월 이전하였다.

2003년 현재 5개 대학원, 8개 단과대학, 11개 학부, 52개 학과(소학부)로 구성되어 있으며, 부설 교육기관으로 평생교육원, 국제교육원이 있고 부속기관으로 생활관, 대학신문사, 영자신문사, 방송국, 인터넷창업보육센터가 있다. 부설 연구기관으로는 사회과학연구소, 인문과학연구소, 자연과학연구소, 건축도시연구소, 멀티미디어신기술연구소 등이 있다.

중국의 흑룡강대학·청두대학, 중미산동건문대학, 러시아 우스리스크 사범대학, 미국의 미시시피대학교 베트남 달랏대학 등 10여개국 33개의 대학과 자매결연을 맺고 있다(2008년). 2006년 9월 1일 제6대 이요한(李耀翰)총장 취임하였다.