Националният природонаучен музей е създаден под името Княжески естественоисторически музей от Княз Фердинанд I през 1889 г. и в началото там се съхранява личната му колекция от птици, бозайници и пеперуди. Придворният лекар д-р Паул Леверкюн, известен орнитолог, е първият уредник на музея.
До Първата световна война музеят се е обогатявал предимно с колекции от чужбина, подарени или закупени от видни чуждестранни колекционери и пътешественици.
Под ръководството на д-р Иван Буреш в периода от 1914 до 1959 г. музеят, който по това време се нарича Царски музей, се развива особено интензивно и представлява основата на Царските природонаучни институти, създадени през 1918 г. До всички български планини, както и до съседните на страната ни държави са организирани експедиции за обогатяване на колекциите, по време на които са открити много нови видове растения и животни. Така музеят се превръща в основно звено за научни изследвания в природните науки на България, издава и списание с висок международен авторитет.
Интересен факт е, че сегашната четириетажна сграда, намираща се на столичния булевард „Цар Освободител“ 1, която съхранява колекциите от 1936 г., е единствената в София, строена специално за музей. Разрушена е при бомбардировките над столицата по време на Втората световна война, но колекциите са запазени, защото са своевременно евакуирани. Сградата е възстановено в предишния си вид след войната, като новата експозиция отваря отново врати за посетители през 1948 г. Именно по онова време музеят е преименуван от Царски на Природонаучен музей. Той е и първата институция, която става поделение на БАН през 1947 г. Тогава се създават и три нови академични института – Зоологически, Ботанически и Геологически.
В сградата на музея остават само зоологическите колекции. По-късно музеят е затворен за посетители и експозицията е намалено от 22 на 9 зали.
В такова състояние на регрес се намира Природонаучният музей до 1974 г.