Mehrere Generationen der Familie Medici hatten mit Leidenschaft neben großen Kunstschätzen auch einen riesigen Bestand an natürlichen Schätzen gesammelt wie Fossilien, Tiere, Mineralien und exotische Pflanzen. Auf der Grundlage dieses Materials sowie durch den Erwerb neuer Belegstücke jeglicher Art, einschließlich einer gewaltigen Sammlung von Büchern, die er sich aus ganz Europa schicken ließ, wollte der aufgeklärte Pietro Leopoldo von Lothringen, mit Unterstützung des Abts Felice Tontana (1730-1805), ein Museum für Naturgeschichte schaffen, das für die Öffentlichkeit bestimmt sein sollte. Zu diesem Zweck erwarb er 1771 den Gebäudeblock in der Nähe des Palazzo Pitti, wo noch heute, wenn auch inzwischen bedeutend verändert, „La Specola" (Sternwarte) ihren Sitz hat, die im Jahre 1775 offiziell eingeweiht wurde und bis zum Beginn des 19. Jh. das weltweit einzige naturwissenschaftliche Museum blieb, das für die Öffentlichkeit geschaffen wurde, mit Öffnungszeiten, Führern und Wärtern, wie heute der Begriff eines Museum aufgefaßt wird. Die Geschichte seiner Sammlungen ist überaus kompliziert vor allem aufgrund der Verlegungen in andere Museen und Universitätsinstitute von Teilen seiner Belegstücke aus den Bereichen Anthropologie, Botanik und Paläontologie sowie der Apparate für Physik, Chemie und Astronomie, die zwischen 1800 und 1930 erfolgte.

Derzeit haben für Besucher zu 34 Sälen Zutritt, davon sind 24 für Zoologie und 10 für Wachsbildnerei. In der zoologischen Abteilung stehen nebeneinander Exemplare aus jüngeren Erwerben und solche, die vor langer Zeit präpariert wurden, wie das Nilpferd, welches, so scheint es, dem Großherzog in der zweiten Hälfte des 18. Jh. geschenkt wurde und danach noch einige Jahre im Giardino di Boboli (Boboligarten) weiterlebte. Besonderer Stolz des Museums ist die Sammlung anatomischer Wachsfiguren, wertvoller Belege einer Kunst, die in Florenz praktisch mit Ludovico Cigoli (1559-1613) eingeführt wurde, und die ihren Höhepunkt fachlich naturwissenschaftlicher Genauigkeit im 18. Jh. erreichte. Der glänzendste Vertreter der florentinischen Wachsbildnerei war Clemente Susini (17131-1814), von dem die bedeutendsten Stücke der Sammlungen stammen, die in der hierfür eingerichteten Museumswerkstatt hergestellt wurden (seit etwa einem Jahrhundert stillgelegt). Innerhalb der wachsbildnerischen Ausstellung sei auf die Wachssammlung von Gaetano Zumbo (1656-1701) hingewiesen, die neben dem anatomischen auch einen hohen künstlerischen Wert aufweist.

Das Wachssammlung, einmalig hinsichtlich der Menge und Schönheit der Stücke, wurde geschaffen, um Anatomie lehren zu können ohne Leichen beobachten zu müssen. In der Mitte des 19. Jh., aufgrund der physischen Trennung der einzelnen Disziplinen, wurden alles außer den zoologischen sowie den menschlichen und vergleichenden Anatomie-Wachssammlungen woanders untergebracht.

Das Museum verfügt außerdem über einen ganz besonderen Raum, nämlich die sog. Tribuna di Galileo, die 1841 von dem Architekten Giuseppe Martelli entworfen und gebaut wurde, um die Erinnerung an den großen toskanischen Wissenschaftler Galileo Galilei ehrend aufrechtzuerhalten sowie zur Aufbewahrung einiger seiner Instrumente und jener aus der Academia del Cimento (dieses Belegmaterial wird heute im Museo di Storia della Scienza, dem Museum für Wissenschaftsgeschichte, aufbewahrt). Der Saal ist mit Fresken und Marmoreinlegearbeiten geschmückt, die einige der bedeutendsten wissenschaftlichen Entdeckungen Italiens seit der Renaissance illustrieren.