XX зууны эхэн үед Монгол Улсын музей нь шинжлэх ухааны төв болох Судар бичгийн хүрээлэнгийн харъяанд байгуулагдсан түүхтэй. Тус хүрээлэнд ажиллаж байсан судлаачид 1921-1923 онд музей байгуулахад шаардагдах бэлтгэл ажилд анхаарч Монгол орны байгаль, түүх, соёлын дурсгалт зүйлийг цуглуулах, бүртгэл тодорхойлолт бичих ажлыг гүйцэтгэж байсан нь тус музейн үүсэл хөгжлийн эхлэл болжээ.
Музейн үзмэрийн сан хөмрөг олон арга замаар бүрэлдэж байсны нэгэнд манай оронд ажиллаж байсан Орос-Зөвлөлтийн болон Америкийн хайгуул шинжилгээний ангийнхны олдвор цуглуулгууд багтах юм. Анхны музейн нээлтийн өмнө П.К. Козловын эртний судлалын зүйлсээр байгуулсан үзэсгэлэн нь цуглуулгын баяжилтанд үнэтэй хувь нэмэр болохын зэрэгцээ музейн үзэсгэлэнг байгуулж дэглэх арга барилын хувьд ч үлгэр жишээ болсон байна. Эл үзэсгэлэнг монголчууд ихэд сонирхон үзэж байсан бөгөөд нэг жилийн дараа алдарт жуулчин Рой Эндрюсаар удирдуулсан АНУ-ын Байгалийн түүхийн музейн экспедицийнхний олдвороор нэмэн баяжуулжээ.
1926 онд Засгийн газрын тогтоолоор Улсын музейг Богд хааны өвлийн ордонд өргөтгөн байгуулах шийдвэр гаргасны дагуу тус ордоны өнгө будаг өрөө тасалгааг музейн зохион байгуулалтад тохируулан засаж, үзмэрээ төрөлжүүлэн ангилж дэлгэн тавьсан байна.
Улсын музей үзмэрээ 1940-1941 онд дахин шинэчилж, түүх, байгалийн үзмэрийн тогтолцоо, дэс дарааллыг нэлээд өөрчлөн, шинэ олдворыг нэмэн засаж байрлуулсан нь тус музей хоёр дахь удаагийн үзмэр шинэчлэлтээрээ түүх, угсаатны зүй, урлаг, байгалийн дурсгалт зүйлсийн чиглэлээр олдвороо улам баяжуулах, орон нутаг судлалаар нэлээд өргөн цар хүрээтэй ажиллах зорилт дэвшүүлсэн хэмээн үзэх үндэстэй. Иймээс 1940 оноос “Орон нутаг судлах музей” гэж нэрлэгдэх болсон байна.
1954-1956 онд Богдын ордонд байсан Улсын музейг Энгельсийн гудамжинд баригдаж байгаа шинэ байшинд нүүлгэн, барилгыг музейд нийцүүлэн барьж дуусгах, үзмэр бэлтгэх тоноглох, тайлбар судалгааг боловсруулах, шинэ тоноглол, стенд – дэлгэц бэлтгэх ажлыг зэрэгцүүлэн хийж амжилттай дуусган 1956 оны дундуур музейг нээж, тус музейг “Улсын Төв Музей” гэж нэрлэх болсон байна.
1960-1990-ээд онд Богдын ордон музей, Шашны түүх, урлагийн Чойжин–сүм музей, Эрдэнэ-зуу, Амарбаясгалант зэрэг түүх уран барилгын тусгай дурсгалын музей-үзмэрийн газрууд Улсын төв музейн салбарууд болон ажилласан түүхтэй.
БНМАУ-ын Засгийн Газрын дэргэдэх Соёл урлагийн хөгжлийн хорооны даргын 1991 оны 08 дугаар сарын 23-ны өдрийн 214 дүгээр тушаалаар Улсын Төв Музейн байранд Байгалийн Түүхийн музейг байгуулж, музейн захирлаар Алтангэрэлийн Пэрлээг, орлогч захирлаар Пунцагийн Эрдэмбатыг томилсон байна.
1993 онд орлогч захирал Пунцагийн Эрдэмбатыг музейн захирлаар томилжээ. П.Эрдэмбат 12 жилийн турш Байгалийн Түүхийн музейг анхнаас нь бие даан байгуулах, сан хөмрөгийг арвижуулах, мэргэжлийн боловсон хүчнийг бэлтгэх, үзмэр үзүүллэг дэглэлтийг шинэ шатанд гаргах ажлыг удирдан ажилласан байна.
2005-2021 онд музейн захирлаар Н.Зоригтбаатар ажиллаж энэ хугацаанд тус музей нь БНСУ-ын Шинжлэх ухааны түүхийн музей, Хуасон хотын болон Чежүдүгийн Байгалийн түүхийн музей, Чанжогийн Байгалийн түүхийн музей, Биологийн болон Биотехнологийн хүрээлэнгүүд, Япон улсын Азабу Их сургууль, Тоёоко хотын музей, БНХАУ-ын Бээжингийн болон Тяньжиний Байгалийн түүхийн музей, Бельги, Францын Шинжлэх ухааны музей, Италийн Милан хотын Байгалийн түүхийн музей, ОХУ-ын Новосибирскийн музейн нэгдэл зэрэг олон музейтэй хамтын ажиллагааны гэрээ байгуулан ажлын туршлага солилцож, боловсон хүчнээ сургаж дадлагажуулах, үзэсгэлэн гаргах, судалгаа шинжилгээ хийх чиглэлүүдээр хамтран ажиллажээ.
Монгол Улсын Засгийн газрын 2019 оны 07 дугаар сарын 03-ны өдрийн “Музей нэгтгэн зохион байгуулах тухай” 281 дүгээр тогтоолоор Үлэг гүрвэлийн төв музейг татан буулгаж, Байгалийн түүхийн музейд нэгтгэн зохион байгуулсан юм.
2022 оноос тус музейн захирлаар И.Будбаяр томилогдон ажиллаж байгаа бөгөөд Байгалийн түүхийн музейн үйл ажиллагаа улам өргөжиж, 2022-2023 онд байнгын үзүүллэгийн танхимуудыг шинэчлэн болон шинээр дэглэж ашиглалтанд оруулан үзэгч олондоо үйлчилж байна.