Zavod je bil kot Kranjski deželni muzej ustanovljen s sklepom Deželnih stanov Kranjske dne, 15. oktobra 1821, in s potrditvijo tedanje vlade dne, 8. junija 1826. Ustanovni zbirki prvega muzeja na Slovenskem sta Zoisova zbirka mineralov in zbirka konhilij grofa Franca Hohenwarta. Kranjski deželni muzej se je po prvi svetovni vojni preimenoval v Narodni muzej v Ljubljani, ta pa se je z dekretom pokrajinske uprave v Ljubljani št. 5370/1 z dne 8. maja 1944 razdelil v dve samostojni ustanovi: Kulturno zgodovinski muzej v Ljubljani in Prirodoslovni muzej v Ljubljani. Zavod je prišel v upravo Narodne vlade Slovenije, zatem Vlade LR Slovenije in je po zakonu o muzejih (Uradni list LRS, št. 32/59) opravljal funkcijo ustanovitelja Izvršni svet Ljudske skupščine LR Slovenije. V zakonu o predstavnikih družbenih skupnosti v svetih nekaterih zavodov s področja kulture itd. (Uradni list SRS, št. 42/66) pa fungira kot ustanovitelj SR Slovenija prek Izvršnega sveta Skupščine SRS. Leta 1963 (Uradni list SRS, št. 33/63) se je Prirodoslovni muzej v Ljubljani kot centralna republiška ustanova preimenoval v Prirodoslovni muzej Slovenije.

Vse od leta 1888 muzej domuje v objektu muzejske stavbe na Prešernovi 20.