Die Geschichte der aufklärerischen Arbeit zur Erforschung der Natur der Region Kostroma ist eng mit der allgemeinen Entwicklung der Industrie und des öffentlichen Lebens zu Beginn des 20. Jahrhunderts verbunden. Insbesondere auf der landwirtschaftlichen, handwerklichen und industriellen Ausstellung der Provinz, die dem 300-jährigen Bestehen der Romanow-Dynastie gewidmet war, wurde eine Ausstellung präsentiert, die die natürlichen Reichtümer der Region demonstrierte. Einen bedeutenden Beitrag zur Schaffung zukünftiger Sammlungen leisteten die Mitglieder der Kostroma Gesellschaft zur Erforschung der Heimat, die 1912 gegründet wurde. Die Gesellschaft hatte biologische, geophysikalische und ethnologische Stationen, ein geologisches Labor und veröffentlichte aktiv die Ergebnisse ihrer Forschungen, wodurch ein Netzwerk von Kreisen und Gemeinden entstand. Nach der Oktoberrevolution 1917 übergab die Gesellschaft ihre Sammlungen an das Heimatmuseum, das auf der Grundlage des Romanow-Museums gegründet wurde.

Im Jahr 1926 bereicherte das Museum seine Sammlung mit einer einzigartigen Kollektion, die vom Amateurentomologen Iwan Michailowitsch Rubin gespendet wurde, der aktives Mitglied der Gesellschaft und ehemaliges Mitglied des Kostroma Bezirksgerichts war. Rubins Sammlung, die mehr als viertausend Insektenarten aus verschiedenen Teilen der Welt umfasst, hat einen erheblichen Bildungs- und Wissenswertwert. 1958 wurde bei der Gründung des Kostroma Staatlichen Historisch-Architektonischen Museums-Reservats im Gebäude des ehemaligen Heiligen Dreifaltigkeits-Ipatjew-Klosters eine Naturabteilung gegründet. Ihre Schaffung ist mit den Namen der ersten Museumsdirektorin Maria Michailowna Orechowa und des Präparators Wladimir Andrejewitsch Tjak verbunden. An der Gestaltung der Museumsausstellungen waren lokale Künstler und Jäger beteiligt, wie Boris Iwanowitsch Mjasnikow und Albert Iwanowitsch Jerjomin. Bei der Gestaltung der Säle wurde das Diorama-Prinzip verwendet. Zu Beginn der 1960er Jahre zerstörte ein Brand die besten Dioramen des Museums, wie „Angriff von Wölfen auf einen Elch“ und „Schneeeule“. 1964 und 1965 wurden sie wiederhergestellt. Die Ausstellung „Pflanzen- und Tierwelt“ wurde nach Jahreszeiten organisiert. 1965 wurde die aktualisierte Naturabteilung die beliebteste im Museum-Reservat. 1966 wurde die berühmte entomologische Sammlung von I. M. Rubin für die Ausstellung vorbereitet. 1969 wurde die Ausstellung „Ursprung des Menschen“ geschaffen, und 1970 die Ausstellung zum Thema „Geologie der Region“ sowie die Ausstellung „Entstehung des Lebens auf der Erde“. 1972 wurde die Schaffung von Ausstellungen zu den Themen „Geografische Merkmale, Gewässer, Böden, Bodenschätze der Region Kostroma“ abgeschlossen. Im Jahr 2001, im Zusammenhang mit der Übertragung der Gebäude der Neuen Stadt des Ipatjew-Klosters an die Kostroma Diözese der Russisch-Orthodoxen Kirche, wurde die Naturabteilung in ein eigenständiges Naturmuseum der Region Kostroma umgewandelt und in ein separates Gebäude in der Molotschnaja-Gora-Straße verlegt. Die Ausstellung wurde gestört, und viele Dioramen wurden zerstört. Die erste Ausstellung im neuen Gebäude war die „Entomologische Sammlung von I.M. Rubin“. 2002 wurde die Ausstellung „Jagdtrophäen“ eröffnet, gefolgt von der Ausstellung „Vögel und Tiere der Region Kostroma“. Die Wiederherstellung des Saals „Winter“ begann mit dem Diorama „Luchs-Jagd“, und die Ausstellung „Angriff von Wölfen auf einen Elch“ wurde erst 2009 wiederhergestellt. 2006 wurde der Saal „Frühling“ wiederhergestellt und ein Gedenkraum für V.A. Tjak geschaffen. 2013 erschienen im Saal „Frühling“ neue Dioramen wie „Frühlingsteich“ und „Durchziehende Vögel“. 2014 wurde die Ausstellung „Insektarium“ eröffnet.