Das Museum wurde am 29. Dezember 1870 gegründet, als in Jekaterinburg die Uralische Gesellschaft der Naturfreunde (UOLE) ins Leben gerufen wurde. Initiator der Gründung war der Französischlehrer Onisim Egorovich Kler. Ursprünglich befand sich die Gesellschaft in einem männlichen Gymnasium, wo auch das Heimatmuseum gegründet wurde. Zu seiner Sammlung gehörten die ersten Geschenke: Bücher, Mineralien und eine in Spiritus eingelegte Schlange. Zunächst wurden die Exponate bei den Spendern oder Mitgliedern der UOLE aufbewahrt, aber im August 1871 erhielt die Gesellschaft zwei Räume im Gebäude des Bergamtes.

Das Museum begann, zoologische, mineralogische, paläontologische und botanische Sammlungen zu bilden. 1873 kam eine numismatische Sammlung hinzu, sowie eine archäologische, dank eines Fundes eines Schülers, Alexei Bryuchanov. 1874 erhielt das Museum eine Sammlung von Eisen- und Kupferproben von I. N. Privalov, was die Grundlage für die Industrieabteilung bildete. Im selben Jahr zog das Museum in größere Räumlichkeiten um, aber die Möglichkeiten zur Ausstellung blieben begrenzt.

1887 organisierte die UOLE in Jekaterinburg eine Sibirisch-Uralische wissenschaftlich-industrielle Ausstellung, die es ermöglichte, die Bestände des Museums erheblich zu erweitern. Am 1. Januar 1888 umfasste die Sammlung 13.064 Objekte, von denen die zoologische Sammlung die größte war. Das Museum öffnete am 27. Dezember 1888 seine Türen für Besucher, und im ersten Jahr besuchten es 1.293 Personen.

1891 erhielt die UOLE die Schirmherrschaft des Großherzogs Michael Nikolajewitsch, was es ermöglichte, ab 1895 jährlich eine Unterstützung von 2.000 Rubel zu erhalten. 1901 wurde im Museum ein kollegiales Verwaltungssystem eingeführt und 10 Abteilungen geschaffen. Bis 1912 wuchsen die Sammlungen auf 28.891 Objekte.

Am 29. Dezember 1895 brach im Museum ein Feuer aus, das die Sammlungen stark beschädigte. Dieses Ereignis führte zur Schaffung eines Fonds für den Bau eines neuen Gebäudes. 1911 wurde der Grundstein für das neue Museumsgebäude gelegt, aber aufgrund des Ersten Weltkriegs blieb das Projekt unrealisiert.

1920 umfasste das Museum 42.020 Objekte und 11 Abteilungen, und 1924 besuchten es 21.420 Personen. 1925 wurde das Museum zum Uralischen Regionalstaatlichen Museum, was zur Eröffnung neuer Museen in Swerdlowsk führte.

1941 wurde das Museum geschlossen, und seine Räumlichkeiten wurden für andere Zwecke genutzt. 1946 erhielt das Museum das Gebäude der Auferstehungskirche zur Unterbringung von Ausstellungen. 1960 wurde ihm das Gebäude der Alexander-Newski-Kathedrale übertragen, in dem die Bestände und die wissenschaftliche Bibliothek untergebracht wurden.

1978 wurde das Museum in eine Museumsvereinigung mit Filialen umgewandelt. 1987 erhielt das Museum ein Gebäude in der Malyshova-Straße 46, wo eine Ausstellung zur Geschichte des Ural im 20. Jahrhundert eröffnet wurde.

1991 wurden die zuvor dem Museum gehörenden Gebäude an die Kirche übertragen, und das Museum erhielt neue Räumlichkeiten. 1994 wurde das Museum für die Geschichte des Obstbaus im Mittleren Ural eröffnet. 2001 eröffnete das renovierte Naturmuseum in der Gorki-Straße 4.

2013 wurde auf der Basis des Museums das Zentrum für innovative Museumstechnologien gegründet. Im Jahr 2016 umfassten die Sammlungen des Museums 725.588 Exponate, und die jährliche Besucherzahl beträgt etwa 270.000 Personen.