Наукові підвалини музею заклав Володимир Дідушицький - граф українського походження, меценат, колекціонер, природознавець, політичний діяч. Перші колекції музею були зібрані в околицях маєтків Дідушицьких на Львівщині (с. Поториця та с. Пеняки). Згодом до колекцій Володимира Дідушицького додалися гербарій, палеонтологічні та мінералогічні збори з Варшавського та Львівського університетів та інші матеріали. У 1868 р. граф Дідушицький придбав теперішній будинок музею на вул. Театральній, куди були перевезені всі колекції.
У 1870 p. було побудовано експозицію, і до музею завітали перші відвідувачі. Експозиція була сформована з семи розділів: зоологічного, палеонтологічного, мінералогічного, геологічного, ботанічного, археологічного і етнографічного. Ф. Мартін у монографії "Dermoplastica und Museologie" (1870) за науковою цінністю фондів порівнював Львівський музей із Лондонським Національним музеєм Британського Королівського товариства.
10 вересня 1880 р. В. Дідушицький передав музей громаді. Неподільна спадщина була юридично оформлена в акті "Ординації Потоцькій” та затверджена парламентом у Відні. Цим актом була зафіксована перша офіційна назва музею – "Природничий музей імені Дідушицьких".
З 1940 року до наших днів музей перебуває у підпорядкуванні Академії наук (протягом короткого часу в 1960-х роках музей був у відомстві Міністерства культури УРСР), адже окрім музейної роботи, в Природознавчому музеї ведеться активна наукова і фондова робота (робота з колекціями).