Sus orígenes se remontan a los primeros años de Chile como país independiente.

Dauxion Lavaysse falleció en el año 1829, sin cumplir ninguna de las tareas que se le había encomendado.

Humberto Fuenzalida se pregunta «¿No vimos llegar hasta estos rincones a un Dauxion de Lavaysse, que especuló en Europa con sus trabajos en tierras americanas y en las nuestras con la fama que decía haber conseguido en círculos europeos?».

Luego Gay fue contratado por el gobierno de Chile, a través del entonces ministro del Interior Diego Portales, para realizar un completo estudio sobre la geografía y diversidad biológica, de un país que para él era completamente desconocido.

En 1838 el museo comenzó a funcionar en una sala del edificio de la Biblioteca Nacional, ubicado en la calle Catedral, entre Bandera y Morandé, a un costado de la sede santiaguina del Congreso Nacional.

Ese primer museo contaba con una colección de objetos animales, vegetales, minerales y fósiles que recolectó Gay en sus viajes por Chile.

Una vez en la dirección, Philippi se da a la tarea de enriquecer las colecciones del museo, con Germain como subdirector.

En 1879 el museo fue convertido en un hospital de sangre para los heridos en la guerra del Pacífico.

Por otro lado, Eduardo Moore solicitó el desalojo del Instituto Agrícola, que funcionaba en el edificio del museo, dado que las colecciones en crecimiento demandaban cada vez más espacio, pero su petición fue rechazada.

La década de 1920 fue muy difícil para el museo, que enfrentó serios problemas económicos.

Estas sólo pudieron ser reparadas un año después bajo la dirección de Ricardo Latcham.

Para eso, el director consiguió dineros del ministerio de Educación, dirigido en ese momento por Eduardo Barrios.

Se donaron $ 200 000 pesos de la época, recursos que sirvieron para reconstruir el edificio y poner en marcha nuevamente al museo.

Igualmente se logró, en 1938, concluir la reconstrucción de las alas oriente y suroriente.

Ricardo Latcham falleció en 1943, y fue sucedido en el cargo, como Jefe de Sección más antiguo, por Enrique Ernesto Gigoux, quien mantuvo el ritmo de trabajo y crecimiento del museo.

Gigoux jubiló en 1948, dando paso a Humberto Fuenzalida Villegas como director del museo.

del museo, cuya dirección quedó a cargo de Grete Mostny, mientras que en 1963 se crearon las Publicaciones Ocasionales.

Sin embargo sigue trabajando ad honorem en la sección de Geología del museo mientras su salud lo permitió, esto es, hasta 1966.

En 1968, en tanto, se crea el Centro Nacional de Museología, el primero de su especie a nivel mundial, destinado a formar personal técnico y paracientífico, especializado en museos.

El recorrido cuenta también con infografías en español e inglés, zonas de descarga Wi-fi, aplicaciones para aparatos móviles donde se puede encontrar y descargar información visual y de audio gratuitas.

Estas instalaciones se encuentran en lo que fue el ex aeródromo de Los Cerrillos, y se sumarán al edificio histórico ubicado en el Parque Quinta Normal, que será restaurado y destinado exclusivamente para exposiciones.

Desde su fundación por Claudio Gay, el museo ha sido dirigido por:[20]​ Actualmente, luego del terremoto de febrero del 2010 y la posterior reapertura, en 2012, el museo solamente cuenta con la exposición Chile Biogeográfico.

Este departamento tiene como funciones conservar, investigar y difundir el patrimonio arqueológico, bioantropológico y etnográfico de Chile, lo que se ha manifestado en generación de importantes colecciones patrimoniales que se resguardan en sus depósitos.

Del material botánico recolectado por Claudio Gay, más o menos 1 500 ejemplares, con sus etiquetas manuscritas, se encuentran en el herbario del museo y constituyen isotipos de las especies nuevas para la ciencia que Gay y sus colaboradores describieron para la flora de Chile (3 467 especies).

Estos ejemplares tipo fueron sistematizados desde la década de 1940, dado que en esa época, buena parte del material con el que contaba el Herbario no estaba ordenado según normas internacionales.

Todas estas colaboraciones han contribuido a incrementar y enriquecer el patrimonio entomológico del país.

Asimismo, el Área de Entomología cuenta con su biblioteca propia, que puede ser consultada por los usuarios.

Entre los científicos e investigadores del MNHN que trabajaron en el área y enriqucieron la colección se cuentan Rodulfo Philippi, Federico Philippi, Carlos Silva Figueroa, Carlos E. Porter, Emilio Ureta, Vicente Pérez D'Angelo, Juan Moroni y Ariel Camousseight.

El Área de Paleontología tiene como misión recolectar, investigar, conservar y publicar sus estudios sobre los fósiles.

A partir de esto, el trabajo consiste en investigar, describir y explicar a los diversos animales vertebrados en todas sus dimensiones, compensando el análisis de su estructura y sus funciones.