Der Grundstein der Sammlungen des Museums wurde im Jahre 1975 gelegt, als der General Charles-Daniel de Meuron (1748-1806) seine naturhistorische Sammlung dem Museum vermachte.

Im Jahre 1835 wurde im Lateinischen Gymnasium (der heutigen Öffentlichen und Universitätsbibliothek) auf Anstoss von Louis Coulon (1804-1894) ein richtiges Museum gegründet. Diese erste Etappe ist von der Dynamik der wissenschaftlichen Gemeinschaft Neuenburg und namentlich des Gelehrten Louis Agassiz (1807-1873) geprägt. Die Sammlungen werden dank zahlreichen Austauschen mit europäischen Museen immer grösser. So wurde das Museum von Neuenburg eines der reichhaltigsten Museen der Schweiz, insbesondere, wenn man die Vogelsammlung betrachtet.

Unter der Leitung von Paul Godet (1836-1911), Weichtierexperte, bricht eine etwas düsterere Zeitspanne an: Es mangelt ständig an Platz und die Konservatoren sind mit Arbeit überlastet, da sie zugleich auch ihre Professorenämter an der Universität ausüben müssen. Ab 1917 macht das Museum eine Rückentwicklung, da die geologischen Sammlungen in das Geologische Institut der Universität (1917) und die botanischen Sammlungen in das Botanische Institut (1918) verlagert werden.

Bis ins Jahr 1960 sind nur wenige bedeutende Ereignisse zu verzeichnen. Nun übernimmt Archibald Quartier (1913-1996) die Leitung des Museums und verleiht diesem neues Leben. In seinem Auftrag errichtet Frédéric Gehringer bemerkenswerte Dioramen, wo Säugetiere und Vögel der Schweiz ausgestellt sind. Mit der wiedergewonnenen Popularität kann das Museum nun eine Lösung zum Platzmangel, der die Institution seit 60 Jahren in seiner Entwicklung behindert, ins Auge fassen.

Im Jahre 1978 wurde eine Lösung gefunden, und das Museum kann im heutigen Gebäude an der Rue des Terreaux einziehen. Im Jahre 1979 werden grosse Bauarbeiten in Angriff genommen, zuerst unter der Leitung von A. Quartier, ab 1981 dann unter der Leitung von Christophe Dufour. Erst nach rund 20 Umbaujahren erlangt das Gebäude sein heutiges Aussehen.

Louis Colon Junior, der in Paris bei renommierten naturalistischen Gelehrten wie Geoffroy St-Hilaire, Lamarck, Lacépède oder Cuvier ausgebildet wurde, befindet sich während fast des ganzen 19. Jahrhunderts im Zentrum des wissenschaftlichen Lebens in Neuenburg.

Seine umfassenden Kenntnisse reichen von der Botanik über die Zoologie, die Geologie, die Paläontologie, die Archäologie bis hin zur Ethnografie. Von 1837 bis 1890 wird er als Präsident der jungen Société neuchâteloise des Sciences naturelles deshalb hochgeschätzt. Er ist in der Lage, in Neuenburg ein ausserordentlich reiches Museum zu gründen, für das er all seine Zeit, seine Kräfte und einen Teil seines Vermögens aufwendet.

Louis Coulons Leidenschaft ist ausserdem so ansteckend, dass er viele Neuenburger Reisende, Händler, Geschäftsleute und Geistliche für Naturkunde begeistern kann. Diese werden in fernen Ländern zu eifrigen Sammlern und haben mit ihren Sammelgaben an das Museum viel zu dessen Bereicherung beigetragen.

Archibald Quartier lag es schon immer am Herzen, der Bevölkerung die so nahe, aber doch so verkannte Neuenburger Fauna näher zu bringen. Dieser sehr populäre Mann war Mitglied des Parlaments der Stadt und des Kanton Neuenburg und ist Autor von zahlreichen Artikeln in der Regionalpresse und mehreren Büchern zur Neuenburger Natur.

Zwischen 1960 und 1980 übt er zwei Funktionen aus: Er ist kantonaler Fischerei- und Jagdinspektor und Konservator des Museums zugleich. Zu seiner grossen Freude beschliessen die Behörden im Jahre 1978, das Museum aus seinem erstickenden Zustand zu befreien: Es soll aus dem Lateinischen Gymnasium in das geräumige Gebäude der ehemaligen Handelsschule an der Rue des Terreaux umziehen.

Die Archibald Quartier gewidmete Sendung Plan Fix ist hier zu sehen.

Am 1. Januar 1981 übernimmt Christophe Dufour die Leitung des Naturhistorischen Museums. Mit seiner neuen Ausstellungspolitik prägt er die Institution nachhaltig.

Sein Ziel ist es, a priori gewöhnliche (Fliegen, Hühner) und vermeintlich unmögliche Themen (Emotionen, Essen) interessant zu machen. Diese Risikobereitschaft gehört nun sowohl in der Schweiz wie auch im Ausland zum guten Ruf des Museums. In enger Zusammenarbeit mit der Szenografin Anne Ramseyer hat Christophe Dufour der Institution zu einem neuen Stil verholfen, der zum Markenzeichen des Museums geworden ist.

Obwohl Christophe Dufour im Jahre 2017 in Ruhestand getreten ist, beteiligt er sich weiterhin am Museumsgeschehen und wirkt namentlich als Jurymitglied bei der Preisverleihung des Europäischen Museums des Jahres (EMYA) mit. Er hat ausserdem vor, seine bemerkenswerte Arbeit über die Schnaken in Verbindung mit dem Museum weiterzuführen.