Природонаучния музей в Пловдив е създаден на база на изключително богатата и разнообразна експозиция, с която е разполагал съществувалият до средата на 19 век френски колеж Св. Августин - Le college St. Augustin, Рhiliророl.

Цялостната експозиция на колежа се е намирала на третия му етаж (днес Ректората на ПУ „П. Хилендарски”) и е заемала площ около 500 м². Била изградена от 50 отдела, като 19 от тях са били в областта на естествените науки. Това са следните отдели: геология, петрография, кристалография, мрамори, минерали по атомическо тегло, остеология и палеонтология, анатомия, ботаника, зоология, ихтиология, орнито-логия, яйца и гнезда на птици, влечуги, раковидни, червеи, ентомология, пеперуди, зоофити, българска флора и фауна.

През 1894 г. за преподавател по естествени науки в колежа е назначен Огюстен Таверние (брат Борис), който може да бъде считан за създател на първата природонаучна сбирка в гр. Пловдив. Той е положил изключително големи усилия за оформяне и допълване на експозицията с интересни природни образци. През 1932 г. в Пловдивски общински вестник е отразено, че „...България е всестранно представена - в геоложко, географско, етнографско, историческо, стопанско отношение и този музей, подреден с голям художествен усет и несравнима педагогическа изисканост е златен извор на колежа за положителни знания.”

След закриването на колежа през 1948 г. малка част от експонатите са дарени на различни научни и образователни институции (Пловдивски университет, училища и др.). Основната част от тези материали са депозирани в създадения през 1951 година исторически музей в Пловдив. За тях не са полагани необходимите за съхранението им грижи и това е била една от причините, която дава основание на Градския народен съвет през 1952 г. да предостави сграда, в която тези материали да бъдат съхранени и изложени за посетители. Взето е решение за бъдещ природонаучен музей да се предо-стави сградата на бившата община Пловдив, която в този период е била една от най-емблематичните постройки за града.

Тя е построена през 1880 година и през 1912 г. по проект на Йосиф Шнитер търпи частично преустройване и разширение. Премахнат е купола и е направена цялостна реконсртукция на покрива, като същевременно са достроени и разширения към основната сграда. Това е първият по-съществен ремонт на сградата, който е целял най-вече нейното укрепване и разширяване.

В периода 1952-1955 година е извършено частично ремонтиране и преустройство на съществуващите помещения в сградата във вид, в който да е подходящ за подреждане на новите експонати и на 05.09.1955 г. е открита „Временна изложба на материали за бъдещ природонаучен музей”. Изложбата включ-вала сбирки от минерали, вкаменелости, хербарийни образци и екзотични препарирани животни от френския колеж. За първи дирекрор на природонаучния музей е назначен Атанас Маринов, който до тогава е бил преподавател по естествена история в Пловдивския учителски институт "Тодор Самодумов". Малко по-късно като уредник-зоолог идва и завършилият Софийския университет Павел Ангелов. Няколко месеца преди откриването на музея Атанас Маринов се пенсионира и за директор е назначен П. Ангелов.

Новооткритата изложба предизвикала изключително голям интерес. Това силно мотивирало и амбицирало работещите в този период уредници да започнат да събират биологични образци и от България.

С цел правилното подреждане на събраните материали в експозиция били изготвени тематико-експозиционни планове. Те били изработени от д-р Нено Атанасов, директор на Природонаучния музей при БАН и Георги Пешев, сътрудник в Зоологическия институт към БАН.

Всички материали са били систе-матизирани и подредени, съгласно утвърдените експозиционни планове. На 08.05.1960 г. е открита нова, художествено и научно издържана експозиция. Поради доброто си представяне и присъствието на множество интересни и екзотични животни тя е предизвикала много силен интерес. След откриването си материалите в нея са били многократно обогатявани и допълвани.

Новата музейна експозиция е с разгърната площ 750 м² и е била съставена от разделите "Еволюция на организмите и неживата природа", "Растения", "Без-гръбначни животни" и "Гръбначни живот-ни", разпределени в 6 основни зали: „Геология“, „Ботаника“, „Безгръбначни животни“, „Риби“, „Земноводни и влечуги“, „Птици“ и „Бозайници “. Тя е подредена в систематичен ред и в нея са включени допълнителни елементи като диорами, табла и схеми свързани основно с развитието на Земята и живата природа. Общият брой на показаните експонати е 4898, от които 673 минерали, скални образци и фосили, 400 растения, 2022 безгръбначни и 1803 гръбначни животни.

Музеят е поддържал връзки с Националния природонаучен музей в Париж, от който е получавал експонати, с Естественоисторическия музей в София, с Университета в София и с множество други институции и фирми за обогатяване на експозицията си.

В този период усилията на колектива са били насочени главно към събирането, обработването и допълването на новата експозиция. Събрано е голямо количество материал, който дава основа през 1970 - 1971 година да се изградят научните фондове към музея с раздели: Геология, Ботаника, Зоология на безгръбначните животни и зоология на Гръбначните животни.

В зала „Безгръбначни” се оформя централна витрина с екзотични експонати: миди, охлюви, корали и гъби.

През 1974 година за първи път в експозицията на Природонаучните музеи в страната в приземния етаж на сградата се оформякът     със      живи   експонати – “Сладководен аквариум”. Той е разположен на 100 м² площ, и е изграден от 44 красиво подредени аквариума. В тях са показани над 32 вида декоративни риби и екзотични растения.

През 1976 г. се изгражда централната диорама във фоайето на музея, както и няколко нови витрини в зала „Птици” и зала „Бозайници”.

През периода 1978 – 1988 г. продължава усилена събирателска и научна дейност на уредниците и научните сътрудници в музея, което довежда до разширяване както на площта на експозицията, така и до промени в различните отдели. Извършва се цялостното и освежаване със следните промени:

1979 г. - оформят се витрини с новопостъпили минерали в зала Геология - полускъпоценни камъни от Източни Родопи.

1981 - 1982 г. във връзка със световното ловно изложение в Пловдив се прави ново аранжиране на залите „Птици“ и „Бозайници“, както и на витрините във фоайето на музея. Извършва се пълна реставрация на най-ценния музеен експонат-анакондата.

1985 г. се отличава със създаването на две нови зали „Риби” и „Земноводни и влечуги“. През същата година се открива и новата зала „Морско дъно” с уникална колекция от тропични морски видове: корали, мекотели, морски звезди и др. - над 140 вида. Във фонда към зала „Безгръбначни“ са заведени около 2500 екземпляра от Карибско и Средиземно море.

През 1986 г. се подменя експозицията в зала „Ботаника“. Извършва се художествено оформление: фотоси и етикети на експонатите.

През 1988 г. в залите „Ботаника“, „Безгръбначни“, „Земноводни и влечуги“, „Птици“ и „Бозайници“, се добавят нови видове, като особено внимание се обръща на екологичния елемент.

В периода 1989 - 1993 г. се правят частични ремонтни дейности: обновява се фасадата на музея, прави се ремонт на зала „Геология“ и зала „Аквариум“, ремонтира се покривната конструкция и др. Едновременно с това се правят и промени в експозицията:

1990 - 1991 г. зала „Геология“ се допълва с гигантски кристали от Бразилия и други минерали, предоставени от музея „Земята и хората”, София. Изготвен е тематико-експозиционен план и са направени нови витрини.

В същия период в аквариумната зала се изгражда централен аквариум.

1992 – 1993 г. се прави оформление в зала „Птици“ и зала „Бозайници“ и някои подобрения в зала „Земноводни и влечуги“ с нови тематико-експозиционни планове, попълват се липсващи в систематично отношение видове и се засилва екологичния елемент.

След пенсионирането на доц. д-р Илко Басамаков през 2010 г. за дирекрор на музея е назначен гл. ас. Д-р Огнян Тодоров. В Периода 2010-2011 година е направен основен ремонт на зала „Птици“, зала „Бозайници“ и зала „Минерали“, като са изцяло подновени витрините и оформлението в тях. Добавени са значително количество нови експонати, като са реставрирани и изложени близо 100 вида птици от колекцията на френския колеж. В този период е създадена и нова зала „Терариум” с живи земноводни, влечуги и безгръбначни. През 2012 година е направен основен ремонт на сладководния аквариум, като част от аквариумите са подменени с по-големи, добавени са значителен брой сладководни видове риби и растения от цял свят. Това дава основание на 22.01.2013 година да се открие най-богатия във видово разнообразие сладководен аквариум в страната. Той разполага с 153 вида риби, от които 20 се срещат на територията на България. Един от акцентите в новата зала е почти тритонния соленоводен аквариум с тропични риби.

Протеклите в този период ремонти дават частично нов облик на музея. От направената през 2013 година конструктивна експертиза на сградата е установено, че тя е рискова за служителите и посетителите на музея, което дава основание на д-р О. Тодоров на 01.11.2013 година да стартира ремонт на сградата и експозицията на музея като амбицията е превръщането му в един от най-модерните научни и образователни центрове в България.

Автентичната дървена конструкция на сградата е силно компрометирана и е необходимо спешно да бъде подменена. Инициативата за основния ремонт е подкрепена от инж. Иван Тотев, кмет на Община Пловдив, който застава зад идеята за изграждането на нов модерен музей в Пловдив. Само в рамките на три години е демонтирана старата експозиция и е оформена нова, като паралелно с това са извършени всички строително монтажни дейноси по сградата. В този период са подменени електрическа и ВИК инсталация. През 2014 година е подменена и покривната конструкция като покрива е покрит с керемиди. Изграден е купол в средата на покрива, който възстановява изгледа на сградата на бившата Община от 1880 година. Архитектурното решение е на арх. Румяна Пройкова и цели възстановяване на визията на сградата до изглед близък до автентичния.

Основните строителни дейности приключват през ноември 2015 година и О. Тодоров изготвя иновативен идеен проект за нова експозиция. Двата метода за оформя-нето и са систематичен (таксономично подредени експонати разположени върху постаменти) и чрез диорами (представящи различни местообитания). Той съчетава двата подхода и изготвя експозиционен план, в който експонатите (предимно гръбначните животни) са систематично подредени и представени в изкуствено създадени местообитания , които да наподобяват в най-общ план средата, в която те живеят. По този начин в края на 2016 година завършва оформянето на залите.

Новата експозиция е съчетание от два компонента- осем основни зали и жива експозиция.

В основните зали са изложени систематично подредени експонати от цял свят. Това са зали: „Минерали“, „Палеонтология“ (нова зала изградена през 2016 г.), „Ботаника“, „Безгръбначни“, „Риби“, „Земноводни и влечуги“, „Птици“ и „Бозайници“. Витрините са с разширен обем за да могат да пресъздадат максимално близо местообитанията на видовете.

В зала „Минерали” са оформени няколко модула. Това са свойства на минералите, форма на кристалите, систематиката на минералите, скъпоценни и полускъпоценни минерали, минерали от Родопите, както и петрографски образци. В залата е изградена и витрина визуализираща фосфорицирането на някой минерали при облъчване с УВ светлина.

Зала „Ботаника” представя систематика на растенията и някой модули с ядливи и отровни гъби. В нея е пресъздадено и вековно буково дърво, където посетителите имат възможност да преброят годишните му пръстени.

В зала „Безгръбначни” под формата на препарирани екземпляри и цветни фотоси е показана пълната световна систематика на безгръбначните, като за клас Insecta са изложени представители на всички семейства срещащи се в България. Добавени са голямо количество нови видове, като всички насекоми и паякообразни са подновени. Тук акцент е изложбата на най-големите и атрактивни насекоми в света, включваща пеперудите от род Ornithoptera, включително и O. aleksandrae -най-големия вид пеперуда, най-големия бръмбар Titanus giganteus и други. В тази зала е изложен и стъклен кошер с живи пчели. В проект е изграждане на мравуняк с колония на мравки.

В зала „Земноводни и влечуги” акцент е най-голямата препарирана змия в Европа – гиганската анаконда. Тя, заедно с почти триметровата моруна, изложена в тази зала, са напълно реставрирани. В модула с местните видове от херпетофауната експонатите са изложени в среда близка до тази, в която се срещат.

Зала „Птици” представя почти всички видове птици, които се срещат на територията на страната (280 вида). Всички те са подредени систематично, като са представени до колкото е възможно в местообитания близки до естествените им.

Зала „Бозайници” е оформена с две отделни витрини: българска териофауна с 105 вида и чуждестранна с 28 вида. Тук интерес представляват най-голямата кафява мечка на балканския полуостров 2,45 височина, трофейния мъжки африкански лъв (конфискуван на границата през 2015 г.). През периода 2013-2016 са основно реставрирани всички препарирани животни от френския колеж, които са включени в новата експозиция (тигър, жираф, леопарди, пуми, маймуни и др.)

Фоайето на музея е оформено от няколко различни модул. Дясната част показва интересни представители на птиците и бозайниците от времето на френския колеж, лявата част пресъздава изкуствена пещера с разположен в нея автентичен скелет на пещерна мечка (извадена и сглобена през 2014 година от пещера „Водната” близо до гр. Девин) и фосилни образци. Средата на фоайето е оформено с две диорами, които показват поречието на река Марица (с емблематичното местообитание на нощувката на малкия корморан Phalacrocorax pygmeus близо до града) и тропическа джунгла с най-пъстроцветните представители на екваториалния и субекваториален климати-чен пояс. Всички експонати са предварително реставрирани. Живата експозиция е оформена като изкуствена пещера с няколко галерии, в която са разположени животните. Представена е от терариум с неотровни видове земноводни, влечуги и безгръбначни, сладководен и морски аквариум. Силен интерес привлича най -богатия във видово разнообразие аквариум в страната с над 230 сладководни вида риби от цял свят и над 40 вида водни растения разположени в 12 нови големи аквариуми. Има и обособен сектор с над 20 вида сладководни български вида риби. Соленоводните аквариуми са представени от един коралов, три средиземноморски със сепии, октоподи и други атрактивни за средиземно море риби и безгръбначни, и два с черноморски видове риби.

Акцент в терариума е дарения през 2015 г. 2,5 метов нилски крокодил и двата близо петметрови бирмански питона. Цялата нова експозиция е силно обвързана с мултимедийни и интерактивни модули, които са максимално удобни за използване от посетителите, и от които те да могат да получат достатъчно информация за всички експонати.

През 2016 година са оформени помещения за фондохранилища, както и нова по-просторна научна библиотека. За да бъде музея на едно от водещите места в страната е необходимо той да разполага с изключително атрактивни елементи, които нямат аналог. Точно поради тази причина през 2015 година в сградата на музея е изграден дигитален планетариум с капацитет 50 души. Той е първия планетариум в Пловдив и първия публичен дигитален планетариум в България. Съоръжението е изключително модерно и дава огромни възможности за презентации не само на космическа тематика, но и на всяка друга.

Другия модул, които е изграден в края на 2016 г. като част от живата експозиция е зала „Тропик“. Тя се намира в купола над музея и е с диаметър 11 метра и височина 8 метра. Оформена е като тропическа джунгла с мост, по който посетите минават, водопад с езеро и голямо разнообразие с тропически растения (предимно палми, папрати, цитруси и орхидеи). Акцента в тази зала са живите пеперуди, които летят свободно в нея. Разнообразието на големи и атрактивни пеперуди от цял свят, заедно с истинската джунгла, в която те летят, създават неповторимо преживяване у посетителите.

Инфраструктурно сградата е обновена със санитарни възли, централна климатична инсталация и осигурен достъп на хора с увреждания (чрез външна платформа и асансьор межди двата основни етажа на сградата).

През 2015 г. е създадена неправител-ствена организация (НПО) „Приятели на природонаучния музей“, която цели подпомагане на музея чрез извършване на дейности и разработване на проекти в направления свързани с дейността му.

През 2016 г. е създаден и научен журнал към музея (Bulletin of the Natural History Museum – Plovdiv), който да публикува широк кръг от изследвания в области застъпени в дейността на институцията.

В края на 2016 е обновена и фасадата на сградата.

През ноември 2016 г. към основната сграда, Община Пловдив дава за управление и допълнителна, намираща се северно от основната. Бившата сграда „Лотус” на обредия дом през 2017 година е предвидено да бъде оформена като зала с макети на динозаври. За същата година е предвидено и прехвърлянето на Дундуковата градина за управление към музея и превръщането и в ботаническа градина. През 2016 г. от Община Пловдив е направено проектирането на ботаническата градина към музея.

След изпълнението на последните два модула, ще бъде оформен комплекс на музей с ботаническа градина. Така екипа на музея ще посреща своите посетители с мотото „Добре дошли в различните светове“, където всеки един от посетителите ще може да намери тази част от заобикалящата ни среда, която най-много му допада и да опознае другите.

Извършеният толкова мащабен ремонт за изключително кратък период от време е прецедент в историята на музейното дело в страната и превръща Регионалния природонаучен музей - Пловдив в един от най-модерните музеи в България и на Балканския полуостров.