Музей возник на базе Кабинета естественной истории, известного как Натуральный кабинет, который существовал в Казанском университете с момента его основания. Основу кабинета составляли зоологические и минералогические коллекции, собранные в конце XVIII века для Екатеринославского университета, который так и не был открыт. Первоначально кабинетом руководил профессор К. Ф. Фукс, а в 1825 и 1828 годах, Э. И. Эйхвальд. В этот период коллекции активно пополнялись: астроном И. М. Симонов передал образцы флоры и фауны Южного полушария, собранные во время Экспедиции Беллинсгаузена и Лазарева, а Эйхвальд привёз зоологические образцы из поездки к Каспийскому морю в 1825, 1826 годах.

С 1828 года кабинет возглавил профессор Э. А. Эверсман, который руководил им до 1860 года. Под его руководством зоологическая часть кабинета стала самостоятельным учреждением с систематическим подходом, и коллекции значительно обогатились как экзотическими видами из Германии, так и российской фауной, собранной Эверсманом в Арало-Каспийском регионе. В 1837 году была приобретена личная коллекция млекопитающих и птиц К. Ф. Фукса из Казанской губернии. По данным А. А. Остроумова, к 1844 году в музее было 5735 экспонатов, включая 1900 насекомых, 1445 раковин, 1402 чучела птиц и 227 чучел млекопитающих. За последующие десять лет коллекция увеличилась ещё на 400 экспонатов. Музей пользовался популярностью среди горожан, которые часто посещали его по праздникам.

В 1871 и 1897 годах кабинетом руководил профессор Н. М. Мельников. В 1881 году А. М. Бутлеров передал университету свою коллекцию чешуекрылых, насчитывавшую более тысячи видов. В 1897 и 1925 годах кабинетом заведовал профессор А. А. Остроумов, при котором коллекции продолжали пополняться, были созданы каталоги птиц и рыб, и проводились исследования стерляди, которая исчезла в начале 1920-х годов.

В 1840-е годы при университете был создан зоотомический кабинет, а в 1945 году зоологический и зоотомический кабинеты объединили в Зоологический музей. В 1991 году в музее появился ботанический отдел, который долгое время был доступен только для специалистов и студентов. В 2002 году музею присвоили имя Э. А. Эверсмана.