Музей был основан 29 декабря 1870 года, когда в Екатеринбурге открылось Уральское общество любителей естествознания (УОЛЕ). Инициатором создания общества стал преподаватель французского языка Онисим Егорович Клер. Первоначально общество располагалось в мужской гимназии, где и был учреждён краеведческий музей. В его коллекцию вошли первые дары: книги, минералы и заспиртованная змея. Сначала экспонаты хранились у дарителей или членов УОЛЕ, но в августе 1871 года обществу выделили две комнаты в здании горного ведомства.

Музей начал формировать зоологическую, минералогическую, палеонтологическую и ботаническую коллекции. В 1873 году появилась нумизматическая коллекция, а также археологическая, благодаря находке ученика Алексея Брюханова. В 1874 году музей получил коллекцию образцов железа и меди от И. Н. Привалова, что стало основой промышленного отдела. В том же году музей переехал в более просторное помещение, но возможности экспонирования оставались ограниченными.

В 1887 году УОЛЕ организовало в Екатеринбурге Сибирско-Уральскую научно-промышленную выставку, что позволило значительно увеличить фонды музея. К 1 января 1888 года коллекция насчитывала 13 064 предмета, из которых зоологическая коллекция была крупнейшей. Музей открылся для посещения 27 декабря 1888 года, и за первый год его посетило 1 293 человека.

В 1891 году УОЛЕ получило покровительство великого князя Михаила Николаевича, что позволило с 1895 года получать ежегодное пособие в 2 000 рублей. В 1901 году в музее была введена коллегиальная система управления и создано 10 отделов. К 1912 году коллекции увеличились до 28 891 предмета.

29 декабря 1895 года в музее произошёл пожар, который сильно повредил коллекции. Это событие подтолкнуло к созданию фонда на строительство нового здания. В 1911 году состоялась закладка нового здания музея, но из-за Первой мировой войны проект остался нереализованным.

В 1920 году музей насчитывал 42 020 предметов и 11 отделов, а в 1924 году его посетило 21 420 человек. В 1925 году музей стал Уральским областным государственным музеем, что привело к открытию новых музеев в Свердловске.

В 1941 году музей был закрыт, а его помещения использовались для других нужд. В 1946 году музей получил здание Вознесенской церкви для размещения экспозиций. В 1960 году ему передали здание собора Александра Невского, где разместились фонды и научная библиотека.

В 1978 году музей преобразовали в музейное объединение с филиалами. В 1987 году музею передали здание на ул. Малышева, 46, где открылась экспозиция по истории Урала XX века.

В 1991 году здания, ранее принадлежавшие музею, были переданы Церкви, а музей получил новые помещения. В 1994 году открылся Музей истории плодового садоводства Среднего Урала. В 2001 году обновлённый Музей природы открылся на ул. Горького, 4.

В 2013 году на базе музея создали Центр инновационных музейных технологий. На 2016 год коллекции музея включают 725 588 экспонатов, а ежегодное число посетителей составляет около 270 тысяч человек.