История просветительской работы по изучению природы Костромского края тесно переплетается с общим развитием промышленности и общественной жизни в начале XX века. В частности, на губернской сельскохозяйственной, кустарной и промышленной выставке, приуроченной к 300-летию династии Романовых, была представлена экспозиция, демонстрирующая природные богатства региона. Значительный вклад в создание будущих коллекций внесли члены Костромского научного общества по изучению местного края, основанного в 1912 году. Общество имело биологическую, геофизическую и этнологическую станции, геологическую лабораторию и активно публиковало результаты своих исследований, создавая сеть уездных и волостных ячеек. После Октябрьской революции 1917 года общество передало свои коллекции в краеведческий музей, созданный на базе Романовского музея.

В 1926 году музей обогатился уникальной коллекцией, завещанной энтомологом-любителем Иваном Михайловичем Рубинским, который был активным членом общества и бывшим членом Костромского окружного суда. Коллекция Рубинского, насчитывающая более четырех тысяч видов насекомых из разных частей света, обладает значительной познавательной и образовательной ценностью. В 1958 году при создании Костромского государственного историко-архитектурного музея-заповедника в стенах бывшего Свято-Троицкого Ипатьевского монастыря был основан отдел природы. Его создание связано с именами первого директора музея Марии Михайловны Ореховой и таксидермиста Владимира Андреевича Тяка. В создании музейных экспозиций участвовали местные художники и охотники, такие как Борис Иванович Мясников и Альберт Иванович Ерёмин. При оформлении залов использовался диорамный принцип. В начале 1960-х годов пожар уничтожил лучшие диорамы музея, такие как «Нападение волков на лося» и «Полярная сова». В 1964 и 1965 годах они были восстановлены. Экспозиция «Растительный и животный мир» была организована по временам года. В 1965 году обновленный отдел природы стал самым популярным в музее-заповеднике. В 1966 году была оформлена для показа знаменитая энтомологическая коллекция И. М. Рубинского. В 1969 году была создана выставка «Происхождение человека», а в 1970 году, экспозиция по теме «Геология края» и выставка «Возникновение жизни на Земле». В 1972 году завершилось создание экспозиций на темы «Географическая характеристика, воды, почвы, полезные ископаемые Костромской области». В 2001 году, в связи с передачей построек Нового города Ипатьевского монастыря Костромской епархии РПЦ, отдел природы был преобразован в самостоятельный музей природы Костромской области и перемещен в отдельное здание на улице Молочная гора. Экспозиция была нарушена, и многие диорамы были уничтожены. Первой в новом здании открылась выставка «Энтомологическая коллекция И.М. Рубинского». В 2002 году открылась выставка «Охотничьи трофеи», а затем была смонтирована выставка «Птицы и звери Костромской области». Восстановление зала «Зима» началось с диорамы «Охота рысей», а экспозицию «Нападение волков на лося» восстановили лишь в 2009 году. В 2006 году шло восстановление зала «Весна» и создание мемориального зала В.А. Тяка. В 2013 году в зале «Весна» появились новые диорамы, такие как «Весенний водоём» и «Пролётные птицы». В 2014 году открылась выставка «Инсектарий».