民國三年（1914年），建立黃河白河博物館，后名為北疆博物院，是由法國神甫、動物學(xué)博士黎桑（EmileLicent，1876-1952，中文名桑志華）來華創(chuàng)辦的。

1949年，新中國成立后，北疆博物院由私立津沽大學(xué)代管。

1951年9月，天津市委宣傳部接收北疆博物院。

1952年6月，天津市人民政府批準(zhǔn)在北疆博物院的基礎(chǔ)上組成天津人民科學(xué)館籌備委員會，同年天津市人民科學(xué)館成立。

1957年6月，天津人民科學(xué)館更名為天津市自然博物館。

1959年，陳列展覽和辦公地址遷至河西區(qū)馬場道272號，時任政務(wù)院副總理、文化教育委員會主任、中國科學(xué)院院長郭沫若先生為該館題寫了館名。

1968年8月，天津市歷史博物館、天津市藝術(shù)博物館、天津市自然博物館合并，組建天津市博物館。

1973年12月，恢復(fù)各博物館建制。

1974年1月，更名為天津自然博物館。

1997年，天津市委市政府投資一億元在原址翻新天津自然博物館，1998年建成并對外開放，是國家首批一級博物館之一。

2002年獲得“全國文物系統(tǒng)先進集體”稱號。

2013年，天津自然博物館新館改建工程被列為“天津市20項民心工程”之一。

2014年，天津自然博物館改建完畢對外開放，新址位于天津文化中心、原天津博物館內(nèi)。新館陳列以“家園”為主題，是全國第一個主題單元化、全景式展示的自然探索、科學(xué)體驗、科學(xué)教育的自然史博物館。

天津自然博物館新館位于天津文化中心、原天津博物館內(nèi)，占地面積為5萬平方米，總建筑面積為3.5萬平方米，展示面積1.4萬平方米，包括常設(shè)陳列區(qū)、臨展區(qū)、體驗娛樂區(qū)、科普教育區(qū)四部分。核心建筑層數(shù)共有3層，總高度16.9m。 ^[2] 

在展館的設(shè)計中，其“圓”為中心展廳，其“方”由9個基本展廳組成。依照布展的功能要求，設(shè)計將中心展廳置于建筑的主導(dǎo)位置，而順應(yīng)地形布置的圓弧序廳將觀眾自然引至中心展廳，直徑32m的圓形中心展廳主要展示恐龍、黃河象等大型動物化石標(biāo)本。 ^[2] 

展館的外形設(shè)計同樣以“方”與“圓”為構(gòu)圖母題，中心展廳采用乳白色金屬殼體與玻璃半球體的吻接造型，構(gòu)成“海貝含珠”的建筑外觀，寓意人類面向自然、回歸自然，返璞歸真的創(chuàng)作理念，同時體現(xiàn)了現(xiàn)代建筑技術(shù)的發(fā)展水平。玻璃球廳下部的臺基采用30m長，3m高的花崗巖浮雕墻，與晶亮的玻璃半球體形成主題鮮明的虛實對比，將造型與中心展廳的功能有機地結(jié)合于一體，具有強烈的雕塑感與標(biāo)志性。 ^[2] 

又稱大白鯊。它性情兇猛，游泳的速度快。經(jīng)常以頭足類、魚類及海獅、海豹等為主要的食物。并且在對它的觀察過程中發(fā)現(xiàn)，噬人鯊有襲擊和吃人的記錄。這種鯊魚分布在熱帶、亞熱帶和溫帶海域。

又稱翻車魚。為世界性、較大型的熱帶海洋魚類。它的身體笨拙，不善于游泳。在天氣晴朗，太陽十足的時候，它就漂浮于水面上，露出背面和背鰭曬太陽。它的生殖能力特別強，一次能產(chǎn)下3億個卵，但存活率不是很高。

這個蝠鲼的標(biāo)本采集于中國的東海，翼展是中國之最。它是雙吻前口蝠鲼。屬于暖水性上層魚類。常利用其特有的大鰭，象展開翅膀般慢慢地上下擺動前進，有時也 會跳出水面。以浮游生物和小型魚類為食。分布于熱帶和溫帶各海域。

又稱老鼠鯊。這個標(biāo)本長度是中國個體之最。姥鯊屬于大洋性上層魚類。它的性情溫和，行動也較遲緩。是僅次于鯨鯊的大型濾食性鯊魚。它的體長可達10米以上。廣泛分布于太平洋、印度洋、大西洋和中國東南沿海水域。

二層展示面積為5700㎡，由“遠古家園”和“現(xiàn)代家園”兩大部分內(nèi)容組成，采用古今結(jié)合的主題單元展示方式，展出古生物化石、巖礦及現(xiàn)生動植物標(biāo)本近萬件。

依托新的地球觀和最新科學(xué)研究成果，展示地球家園38億年來生命世界由無機到有機、由單細胞到多細胞、由簡單到復(fù)雜、由低等到高等的發(fā)生、發(fā)展，乃至到現(xiàn)在波瀾壯闊、跌宕起伏的演化歷程。

展覽分為八大單元：

《家園·生態(tài)》展示面積為3400㎡，以美國著名慈善家、天津市榮譽市民肯尼斯·貝林先生歷年捐贈的200多件珍稀世界野生動物標(biāo)本為基礎(chǔ)，同時增加館藏部分珍稀野生動物標(biāo)本,如大熊貓、金絲猴等，共同展示世界各大洲的典型動物群。

《家園·生態(tài)》展區(qū)在設(shè)計理念上突出生態(tài)系統(tǒng)，形式上以大景觀、大手筆來體現(xiàn)，展示生態(tài)系統(tǒng)的多樣性。每一大洲動物群以若干個景觀組成，每個景觀以不同的場景來展示，每個場景又由動物生活中的一個典型故事來表現(xiàn)。利用人工造景及背景畫，結(jié)合各種現(xiàn)代化的展示手段，準(zhǔn)確、科學(xué)地將世界上最具代表性的野生動物及其生態(tài)環(huán)境再現(xiàn)于觀眾面前，生動展示動物生活的真實場景。展覽內(nèi)容豐富，表現(xiàn)形式多樣，既有展板，又有多媒體，同時有互動設(shè)置，提高了觀眾的探索欲望。以期達到貝林先生的捐贈目的：“讓沒有機會到這些地方的孩子們通過參觀我們的展覽有身臨其境的感覺”。

展覽主要包括以下幾部分：

由法國、中國、美國、加拿大、阿根廷、比利時等國家聯(lián)合舉辦的《最后的巨人》大型恐龍展于2010年4月在法國國家自然歷史博物館舉行盛大的開幕式。

天津自然博物館作為國內(nèi)，也是亞洲惟一一家參加此次國際性恐龍大展，精挑細選了滿洲龍、棘鼻青島龍、原角龍及兩組恐龍蛋共五件珍貴的化石標(biāo)本來參加此次國際性的“恐龍盛會”。

2007年，天津自然博物館與重慶自然博物館聯(lián)合在荷蘭舉辦《中國恐龍暨古動物》。中國是世界上恐龍化石發(fā)現(xiàn)最多的國家之一，在國際上占有重要的地位。四川的蜀龍動物群、馬門溪龍動物群，云南的祿豐龍動物群，遼西的熱河動物群以及內(nèi)蒙古、甘肅、山東、黑龍江等地出土的恐龍動物群均聞名于世。其它如鱷類、龜鱉類、水生爬行類和翼龍類等古爬行動物化石則更為豐富，產(chǎn)地遍及全國。

中國新生代地層里的古哺乳動物化石，其數(shù)量之豐富，門類之齊全，在世界上尤為罕見。中國北方地區(qū)的三趾馬動物群、猛犸象—披毛犀動物群以及南方地區(qū)的大熊貓——劍齒象動物群是中國新生代古哺乳動物群中的典型代表。

《中國恐龍暨古動物展》2003在韓國盛大開幕。展覽由天津自然博物館與自貢恐龍博物館聯(lián)手在韓國首爾國際會展中心共同舉辦。

該展覽精心篩選了126件館藏精品，僅恐龍骨架標(biāo)本61具（件），超大型恐龍化石骨架10余件，有體高8米的巨型山東龍、體長22米的合川馬門溪龍，還有體長僅35厘米的胡氏貴州龍及珍貴的古哺乳動物標(biāo)本參展。

1.《天津水生維管束植物》，劉家宜著。

2.《天津植物志》，劉家宜著。

3.《天津八仙山國家級自然保護區(qū)多樣性考察》，李慶奎主編。

4.《歐亞自然歷史博物館高層論壇文集》，董玉琴主編，天津人民出版社。I

5.《館藏精品圖集》，孫景云主編，天津人民美術(shù)出版社。

6.《天津自然博物館80周年》，陳錫欣主編，科學(xué)技術(shù)出版社。

7.《天津自然博物館建館90周年文集》，孫景云主編，天津科學(xué)技術(shù)出版社。