Los orígenes del Ciencias Naturales se remontan a 1771, cuando Carlos III fundó el Real Gabinete de Historia Natural. Este gabinete nació gracias a la adquisición de la colección del comerciante guayaquileño Pedro Franco Dávila, cuya vasta colección de historia natural se convirtió en el núcleo inicial del museo. El primer emplazamiento del Real Gabinete fue el palacio del Conde de Saceda, en la calle Alcalá, donde compartió espacio con la Real Academia de Bellas Artes de San Fernando. Sin embargo, la falta de espacio llevó a Carlos III a encargar a Juan de Villanueva un nuevo edificio en el Salón del Prado, que finalmente sería destinado al futuro Museo del Prado.

El 1 de octubre de 1815 se creó el Real Museo de Ciencias Naturales de Madrid, que integró al Real Gabinete, el Real Jardín Botánico, el Real Laboratorio de Química, el Real Estudio de Mineralogía y, poco después, el Real Observatorio Astronómico. A lo largo del siglo XIX, el museo sufrió diversas reorganizaciones: en 1867 se independizaron el Jardín Botánico y el Jardín Zoológico, y se creó el Museo Arqueológico Nacional con parte de sus colecciones. Tras ser desalojado del edificio de la calle Alcalá en 1895, el museo se trasladó al Palacio de Biblioteca y Museos Nacionales, hoy sede de la Biblioteca Nacional.

En 1907, bajo la dirección de Ignacio Bolívar, comenzó el traslado al edificio actual del paseo de la Castellana, construido para la Exposición Nacional de la Industria y de las Artes de 1881. El traslado concluyó en 1910, y desde 1913 el museo adoptó su denominación actual. A lo largo del siglo XX, el Ciencias Naturales vivió momentos difíciles, especialmente durante la Guerra Civil, que obligó a su cierre en 1936. No recuperó su actividad plena hasta la gran reestructuración de 1984, que integró el Instituto Español de Entomología y el Instituto de Geología de Madrid.

Hoy, el museo conserva más de seis millones de ejemplares, entre invertebrados, vertebrados, fósiles, minerales y colecciones históricas. Su plantilla supera las 300 personas dedicadas a investigación, conservación, documentación, divulgación y actividades educativas. El trabajo científico del museo se organiza en seis departamentos especializados: Biogeografía y Cambio Global, Biodiversidad y Biología Evolutiva, Biología Ambiental, Ecología Evolutiva, Geología y Paleobiología. Además, cuenta con biblioteca, archivo, mediateca y talleres didácticos.

Las exposiciones permanentes del Ciencias Naturales se dividen en tres grandes áreas. La primera está dedicada a la historia natural y aborda la evolución biológica, incluida la humana, así como la relación del ser humano con el medio ambiente. La segunda se centra en el mar Mediterráneo, combinando aspectos ecológicos, biológicos y culturales. La tercera reproduce el antiguo Real Gabinete de Historia Natural, permitiendo al visitante conocer cómo eran las primeras colecciones científicas del museo.

Entre sus piezas más destacadas figuran el megaterio llegado desde Argentina en 1789, la réplica del diplodoco donada por Andrew Carnegie al rey Alfonso XIII, los célebres dioramas de aves y mamíferos preparados por los hermanos Benedito y ejemplares de especies extinguidas como un tilacino disecado. Estas piezas, junto con sus colecciones científicas, convierten al museo en un referente nacional e internacional en investigación y divulgación de las ciencias naturales.