民国三年（1914年），建立黄河白河博物馆，后名为北疆博物院，是由法国神甫、动物学博士黎桑（EmileLicent，1876-1952，中文名桑志华）来华创办的。
1949年，新中国成立后，北疆博物院由私立津沽大学代管。
1951年9月，天津市委宣传部接收北疆博物院。
1952年6月，天津市人民政府批准在北疆博物院的基础上组成天津人民科学馆筹备委员会，同年天津市人民科学馆成立。
1957年6月，天津人民科学馆更名为天津市自然博物馆。
1959年，陈列展览和办公地址迁至河西区马场道272号，时任政务院副总理、文化教育委员会主任、中国科学院院长郭沫若先生为该馆题写了馆名。
1968年8月，天津市历史博物馆、天津市艺术博物馆、天津市自然博物馆合并，组建天津市博物馆。
1973年12月，恢复各博物馆建制。
1974年1月，更名为天津自然博物馆。
1997年，天津市委市政府投资一亿元在原址翻新天津自然博物馆，1998年建成并对外开放，是国家首批一级博物馆之一。
2002年获得“全国文物系统先进集体”称号。
2013年，天津自然博物馆新馆改建工程被列为“天津市20项民心工程”之一。
2014年，天津自然博物馆改建完毕对外开放，新址位于天津文化中心、原天津博物馆内。新馆陈列以“家园”为主题，是全国第一个主题单元化、全景式展示的自然探索、科学体验、科学教育的自然史博物馆。
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