Музей был основан Михаилом Алексеевичем Радищевым, правнуком писателя А.Н. Радищева, который работал городским судьей. В конце XIX века он собрал частное музейное собрание, включающее коллекции холодного и огнестрельного оружия, нумизматики, этнографии и орнитологии, которое в 1919 году стало Хвалынским естественноисторическим музеем.

Музей находится в центре города и занимает два здания. Отдел истории располагается в старинном двухэтажном особняке начала XIX века, который принадлежал М.А. Радищеву. Именно здесь в конце XIX века он открыл первый публичный музей в Хвалынске.

На втором этаже особняка, куда ведет парадная лестница, находятся мемориальные комнаты, буфетная и кабинет хозяина, в которых воссоздана атмосфера прошлого. В других залах представлены экспозиции купеческого быта и коллекции икон, старопечатных и рукописных книг, церковной утвари из Черемшанских старообрядческих монастырей, которые были последним оплотом старой веры в Поволжье в начале XX века. Лепнина потолков, двери и другие элементы интерьера сохранились в первозданном виде, что в сочетании с удачным цветом стен создает ощущение подлинности.

На первом этаже особняка размещены экспозиции об истории Хвалынска. Археологическая коллекция охватывает период от палеолита до средних веков. Здесь можно увидеть такие редкости, как предметы из Старо-Яблонского энеолитического могильника и черепную крышку неандертальца, седьмую подобную находку в мире. О местной металлообработке свидетельствует клад бронзовых изделий из села Сосновая Маза, часть которого была передана в Государственный исторический музей.

Экспозиция охватывает все эпохи и культуры до поздних кочевников, включая Золотую Орду. Хвалынск был основан как сторожевой пост на острове Сосновый и в 1685 году перенесен на правый берег. Экспонаты, такие как рыболовные снасти и оружие, дают представление о жизни первых поселенцев.

В 1780 году Екатерина II преобразовала село в город Хвалынск, вероятно, по названию кочевых племен хвалисов. Этнографическая коллекция иллюстрирует историю заселения края и его этнический состав, включая мордовские и чувашские костюмы, татарские украшения. Отдельная экспозиция посвящена быту хвалынчан на рубеже XIX-XX веков и уникальным старообрядческим реликвиям.

Отдел природы находится в здании, построенном в 1977 году при содействии М.А. Суслова. Интерьер облицован известняком и доломитом, а также мраморным ониксом, обнаруженным в Березовском карьере. В здании первоначально размещалась экспозиция советского периода.

Орнитологическая коллекция М.А. Радищева включает около 250 экземпляров и была собрана им лично. Большая часть коллекции состоит из местных видов птиц, сохранившихся более ста лет. Экспозиция построена по диорамному принципу, представляя характерные ландшафты района и его природные зоны.

Древняя история края отражена в коллекции костяков животных четвертичного периода. В диорамах выставлены скелет мамонта, череп шерстистого носорога и другие останки. Геологическая история представлена образцами осадочных пород и палеонтологической коллекцией.

В отделе природы проходят временные выставки, например, частная коллекция В. Уланова, посвященная старинным предметам для приготовления и подачи чая и кофе. Каждый экспонат имеет свою историю, включая бульотки, которые использовались как самовары в Европе и России.