Los avances en tecnología de la información han permitido que los museos virtuales trasciendan las fronteras físicas tradicionales y se conviertan en herramientas importantes en la educación. A pesar de su creciente uso, los factores que influyen en la efectividad de los museos virtuales para mejorar la motivación de aprendizaje de los estudiantes siguen siendo poco explorados. Este estudio investiga los factores clave que promueven la motivación de aprendizaje entre los estudiantes de secundaria utilizando la Exposición Virtual en Línea del Museo Nacional de la Naturaleza como estudio de caso. Basado en el marco teórico de Estímulo-Organismo-Respuesta (E-O-R), se desarrolló un modelo conceptual que fue probado empíricamente utilizando Modelado de Ecuaciones Estructurales (SEM) para examinar las relaciones entre las variables de estímulo, los estados psicológicos y la motivación de aprendizaje. Los resultados revelan que la implicación afectiva, el compromiso cognitivo y la presencia percibida mejoran significativamente la motivación de aprendizaje, mientras que la inmersión no muestra un efecto significativo. Entre los factores de estímulo, el disfrute percibido promueve fuertemente la implicación afectiva, la interactividad percibida mejora el compromiso cognitivo y la calidad del contenido apoya principalmente el procesamiento cognitivo. La estética visual contribuye notablemente a la inmersión, la implicación afectiva y la presencia percibida. Estos hallazgos elucidan los mecanismos multidimensionales a través de los cuales la experiencia del usuario en museos virtuales influye en la motivación de aprendizaje. El estudio proporciona implicaciones teóricas y prácticas para diseñar entornos educativos de museos virtuales efectivos y atractivos, apoyando así prácticas de aprendizaje digital sostenibles.