Король Карлос III создал Национальный музей естественных наук в 1771 году как Королевский кабинет естественной истории. На протяжении всей истории он несколько раз менял свое название. Первоначальная коллекция Королевского кабинета естественной истории состояла из превосходных коллекций и библиотеки, принадлежавших Педро Франко Давиле, испанскому бизнесмену из Гуаякиля, который пожертвовал их испанской короне.

Коллекция содержала тысячи минералов, водорослей, растений, животных всех видов, камни и безоары физиологического происхождения, орудия труда и оружие различных культур и эпох, а также художественные предметы из фарфора, хрусталя и драгоценных минералов со всех континентов, старинные бронзовые изделия, скульптуры, медали и надгробия, произведения искусства работы известных художников из разных школ и стран, миниатюры, рисунки, акварели и эмали. Будучи собственностью короны, коллекция увеличивалась за счет покупок и пожертвований вплоть до 1984 года, когда она была полностью перестроена в современный музей. С тех пор его коллекции пополнились. Обладая большой исторической и научной ценностью, музей открыт для публики с помощью постоянных, временных и передвижных экспозиций.

Национальный музей естественных наук является одним из самых важных научно-исследовательских институтов Испании в области естественных наук. Благодаря различным исследователям в различных областях, начиная от палеобиологии и геологии и заканчивая экологией и изменением климата, а также биологией окружающей среды и биоразнообразием, музей является одним из знаковых центров Испанского национального исследовательского совета (CSIC).

В настоящее время он находится во Дворце искусств и промышленности. Строительство здания началось в 1882 году в Альтос-дель-Иподромо по заказу архитектора Фернандо де ла Торриенте при содействии Эмилио Буа-и-Мерино, который продолжил работы после смерти первого в 1886 году.