Naturwissenschaftliches Forschen und Sammeln fand in Österreich erst relativ spät Verständnis und Förderung. Wohl enthielten die Kunst- und Wunderkammern der Habsburger auch Naturalien, doch betrachtete man sie lange als bloße Kuriositäten, nicht als Objekte von wissenschaftlicher Bedeutung. Erst Kaiser Franz I. (Franz Stephan von Lothringen, 1745-1765), der Gemahl Maria Theresias, gründete 1748 mit dem Ankauf der berühmten Sammlung Johann von Baillous ein privates Nauralienkabinett.

Es war in der Hofburg nach Baillous eigenem wissenschaftlichen System aufgestellt und wurde zunächst von diesem selbst geleitet. Den Schwerpunkt bildeten Mineralien und Fossilien sowie Schnecken- und Muschelschalen und Korallen. Pflanzen und Tiere mit Weichteilen waren damals (v. a. wegen der Präparationsprobleme) als Sammelobjekte noch wenig geschätzt. Sie wurden lebend in botanischen Gärten und Menagerien gehalten. Nach dem Tod von Franz I. wurde die Kollektion, in die der Kaiser große Summen investiert hatte, ins Staatseigentum übertragen, neu aufgestellt und zweimal wöchentlich dem Publikum zugänglich gemacht. 1776 berief Maria Theresia, der vor allem die Erdwissenschaften als Grundlage für Bergbau und Industrie am Herzen lagen, den hervorragenden Mineralologen und Montanisten Ignaz von Born nach Wien und betraute ihn mit dem systematischen Ausbau der Sammlung. Born war ein führender Aufklärer und Freimaurer, er könnte vielleicht sogar das Vorbild für den Sarastro in Mozarts "Zauberflöte" abgegeben haben. Mit ihm brach für „Österreich“ endgültig das naturwissenschaftlich-technische Zeitalter an. Das Naturalienkabinett wurde damals zu einem Mittelpunkt der mineralogischen Forschung in Europa.

Der naturliebende Kaiser Franz II. (I.; 1792-1835) erweiterte die Naturaliensammlung um ein eigenes Tierkabinett. Den Grundstock dafür bildeten die Jagdtrophäen der Habsburger, die bis auf Kaiser Maximilian II. (1564-1576) zurückgehen, sowie die berühmte Sammlung präparierter einheimischer Wirbeltiere und Insekten des Falkners Joseph Natterer. Nach mehrfachen Umgliederungen folgte 1807 die Gründung eines eigenen Pflanzenkabinetts. Der Kaiser legte dafür mit der Schenkung seines Privatherbars den Grundstock. Die Ausstellungspraxis der Zeit um 1800 war durch ein oft kurioses Nebeneinander wenig wissenschaftlicher und sehr fortschrittlicher Tendenzen geprägt. Die ausgestopften Tiere wurden in künstlichen Landschaftsdioramen gezeigt, also bereits in ökologischem Zusammenhang.

Der hervorragende Gelehrte und Organisator Carl Schreibers, der von 1806 bis 1851 die Naturaliensammlung leitete, sorgte für entscheidende Reformen in allen Bereichen. Er baute alle Abteilungen zu bedeutenden Forschungszentren aus und wurde dabei nicht nur von den Museumsbeamten, sondern auch von einer Reihe oft hochqualifizierter, unbesoldeter Volontäre unterstützt. Anlässlich der Vermählung seiner Tochter Leopoldina mit dem brasilianischen Kronprinzen Dom Pedro 1817 sandte Kaiser Franz auch namhafte Forscher nach Südamerika. Durch ihre Sammlungstätigkeit erlebte der Zuwachs der Museumsbestände einen glanzvollen Höhepunkt. So blieb der Zoologe Johann Natterer 18 Jahre in Südamerika und baute eine vorbildlich dokumentierte Kollektion naturwissenschaftlicher Objekte für Wien auf. Diese trug wesentlich zum weltweiten Ruf des Museums bei, führte allerdings auch zu einer jahrzehntelangen Platznot. Mit verschiedenen, nicht immer glücklich gewählten Notlösungen versuchte man die Raumprobleme vergeblich in den Griff zu bekommen. Während der revolutionären Wirren von 1848 wurde die Hofburg durch kaiserliche Truppen beschossen und teilweise in Brand gesetzt. Dabei wurde ein Teil der Sammlungen vernichtet, tragischerweise auch viele unersetzliche Objekte aus dem brasilianischen Material.

In den Jahren nach der Revolution wurde die Sammlung in ein selbständiges zoologisches, botanisches und mineralogisches Hofkabinett umgewandelt. Diese Kabinette mit ihren äußerst reichhaltigen Beständen boten nicht nur ideale Möglichkeiten zum Forschen, sie trugen bis zur Etablierung der naturwissenschaftlichen Disziplinen im Universitätsbereich um 1870 auch wesentlich zur Bildung des wissenschaftlichen Nachwuchses bei. Die Kollektionen wurden durch Tausch und Ankäufe, durch die Sammeltätigkeit der Forscher sowie durch Legate, vor allem von wissenschaftlich interessierten Reisenden, laufend erweitert. Daneben wurde auch die vom Kaiserhaus großzügig geförderte Zusammenarbeit mit der österreichischen Kriegsmarine sehr wichtig: Besonders die Weltumsegelung der Fregatte "Novara" (1857-1859), an der zahlreiche Naturforscher teilnahmen, verschaffte dem Museum ein reiches neues Sammlungsmaterial. Die wissenschaftliche Aufarbeitung sollte Jahrzehnte in Anspruch nehmen.

Diesem wissenschaftlichen Poiniergeist, der die allgemeine Fortschrittsgläubigkeit in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts widerspiegelt, stand die immer drückender werdende Raumnot gegenüber. Zwar hatte Kaiser Franz Joseph bereits 1857 die Schleifung des Festungsgürtels um die Innenstadt verfügt. Auf der freiwerdenden Fläche sollten entlang einer Prachtstraße neben anderen repräsentativen öffentlichen Bauten auch neue Museen entstehen. Bis zur Vollendung dieses Vorhabens war es allerdings noch ein weiter Weg. Das liberale Bürgertum, das damals einen steilen politischen und wirtschaftlichen Aufschwung erlebte, wollte die alten Kabinette durch Forschungs- und Bildungsstätten für breite Gesellschaftsschichten abgelöst wissen und so seinen eigenen kulturellen Aufstieg deutlich sichtbar machen. Aber auch das neoabsolutistische Kaisertum der allmählich zerfallenden Habsburgermonarchie wollte sich ein zeitgemäßes, künstlerisch vollendetes Denkmal setzen: Ein monumentales Kaiserforum nach antikem Vorbild war geplant, das von der Hofburg bis zu den Hofstallungen reichen sollte. Verwirklicht wurde davon nur ein Torso: die Neue Burg und der Maria-Theresien-Platz mit Kunsthistorischem und Naturhistorischem Museum. Die innere Organisation des neuen "K.k. Naturhistorischen Hofmuseums", das am 10. August 1889 feierlich eröffnet wurde, geht auf den großen Geologen, Neuseelandforscher und ersten Intendanten des Museums, Ferdinand von Hochstetter, zurück und hat sich in ihrer klaren Systematik bis heute weitgehend erhalten. Die Vermehrung der Bestände und neue Anforderungen an den Forschungs- und Schausammlungsbetrieb erforderten jedoch neue räumliche und strukturelle Lösungen. So wurde 1990 ein Tiefspeicher angelegt, der sich unter dem Gebäude über vier Ebenen erstreckt und in vollklimatisierten Räumen einen Teil des Sammlungsmaterials aufnimmt. Durch den Dachausbau (1991 bis 1995) wurden weitere Sammlungs-, aber auch zahlreiche neue Arbeitsräume gewonnen.

Die Forschung, das Bewahren und Vervollständigen der bedeutenden wissenschaftlichen Sammlungen und die Präsentation ausgewählter Naturobjekte haben bis heute nicht an Aktualität verloren. In einer Zeit immer rascherer Zerstörung unserer Umwelt sind sie wichtiger denn je. So wie die weißen Flecken auf der Landkarte kleiner geworden sind, dringt die Wissenschaft in immer kleinere Bereiche vor. Längst haben Raster-Elektronenmikroskop und Röntgenapparaturen die Handlupe abgelöst. Im Schausammlungsbereich haben auch Besucherinnen und Besucher Zugang zu modernsten optischen Geräten, besonders im „Mikrokosmos“ (Saal 21). Auch die Erhaltung der Sammlungen folgt modernsten konservatorischen Erkenntnissen. Vor über hundert Jahren wurde das Museum für die systematische Darstellung - die Vielfalt der Natur geordnet aneinandergereiht - geschaffen. Der palastartige Bau, das Zusammenspiel von Einrichtung und Objekten sowie das historische Ambiente verleihen ihm einen unverwechselbaren Charakter. Auch bei der Neugestaltungm zahlreicher Schausäle wurde die systematische Aufstellung grundsätzlich beibehalten, um dem Publikum die ungeheure Vielfalt des Lebens vor Augen zu führen.
Die Präsentation wird sukzessive an die museologischen Anforderungen und Bedürfnisse des 21. Jahrhunderts angepasst. Auch werden interessante Themenschwerpunkte und neue Inhalte in zeitgemäßer didaktischer Form präsentiert.