该馆于1927年对外开放，位于天津市河西区马场道的西端，占地面积大约2万平方米，前身是北疆博物院。1914年，由法国传教士桑志华创办。1952年，又被改建为天津市人民科学馆，1957年正式命名为天津自然博物馆，是中国最大的自然博物馆之一。
天津自然博物馆馆藏丰富，内有动、植物标本以及各种古生物、古人类的化石大约38万件。其中有200件模式标本被列为国家一级标本保存。在古生物标本中，古脊椎动物是重点，该馆收藏动物群化石的完整和丰富在世界上实属罕见，对于研究古脊椎动物的进化及分类起着非常重要的作用。
在植物标本中，最为丰富的为低等植物的菌类标本，也存有一些国内少见的国外苔类标本。在高等植物中，还存有一些法国高等植物标本。在动物标本中，无脊椎动物和昆虫的模式标本数量较多。其中，昆虫半翅目标本收藏得比较集中、系统，软体动物和蜘蛛标本的收藏也较为丰富。
动物陈列通过对动物的外部形态、内部结构、胚胎发育、生态等材料的比较研究，为动物与环境的相互影响提供了重要的依据，展示出动物从低等到高等，从简单到复杂的发展规律。
古生物陈列以古脊椎动物化石标本为主，加以一定的科学辅助材料，来阐明生物演化的历史过程。植物陈列中占主导地位的是实物标本，另外还配有照片、模型和生态布置，可以更好地说明植物由简单到繁杂，由水生到陆生，由低级到高级的发展进化过程，同时说明了植物与人类的生存和发展息息相关。
古人类陈列以人类的产生和发展为主，以各个时期原始人类的生产、生活为主要内容，用已掌握的原始人类遗存及有关资料来展示人类的产生和发展过程，说明自然界的一切（包括人类社会）是辩证地发展的。
该馆的出版物有：《动物陈列》、《古生物陈列》、《植物专题陈列》、《古人类陈列》。另外，此馆还与国内外有关科研单位合作编写出版了多部论文与专著。