Desde el período de la emancipación rondaba la idea establecer un Museo Nacional de Historia Natural y en 1813 se acordó materializarlo a través de la Universidad de San Felipe. En 1822, el gobierno de Bernardo O'Higgins impulsó la idea asignando como director a Juan José Dauxion Lavaysse.

Sin embargo, se puede considerar a 1830 como el año fundacional del museo, pues en el contrato que firmó Claudio Gay con el gobierno chileno se establecía "formar un gabinete de Historia Natural que contenga las principales producciones vegetales y minerales del territorio" (Rodulfo Amando Philippi. "Historia del Museo Nacional de Chile", Boletín del Museo Nacional de Chile, I (1): 5, 1908). Primero se emplazó en los pisos superiores de la esquina suroeste de la intersección de Catedral con Bandera, en Santiago, edificio ocupado por la antigua Biblioteca Nacional.

En 1842 fueron directores interinos Francisco García Huidobro, Antonio de Gorbea y Philibert Germain. En octubre de 1853 asumió el cargo, de forma permanente, Rodulfo Amado Philippi, quien enriqueció notablemente las colecciones y la infraestructura del museo. En 1876, su gestión logró el traslado al hermoso edificio neoclásico construido en la Quinta Normal para la exposición internacional realizada de 1875, el cual sería su emplazamiento definitivo.

A fines del siglo XIX, el museo se había expandido en demasía y se requirió de personal técnico especializado para enfrentar con éxito las tareas de investigación, enseñanza y divulgación. Fue así como el gobierno estableció funcionarios de planta e invirtió en la contratación de Federico Albert como preparador, del naturalista Zacarías Vergara como disector, de Fernand Lataste para la Sección Zoología, de Federico Philippi para Botánica y de Ernesto Frick para la Sección Mineralógica.

Rodulfo Philippi jubiló en 1897, sucediéndole su hijo Federico. En 1908 apareció el primer número del Boletín del Museo de Historia Natural, una de las publicaciones de científicas más influyentes y longevas del país. En 1922, siendo director el connotado médico Eduardo Moore Bravo, se creó una Escuela de Altos Estudios para preparar a nuevos científicos. Bajo la misma gestión se crearon las secciones de Antropología, Botánica Criptogámica y Aracnología, además del Museo Oceanográfico y la Estación Zoológica Marítima en San Antonio.

No obstante, la década del veinte fue un tiempo de crisis, tanto por los problemas económicos como por los daños dejados por el terremoto ocurrido en Mendoza el 14 de abril de 1927, que afectó a la zona central de Chile. La experiencia se repetiría con el violento sismo del 27 de febrero de 2010, que agrietó severamente sus muros principales.