大连自然博物馆的前身是日本侵占东北以后，由日本“南满洲铁道株式会社”于1907年创办的 “地质调查所”。 1923年调查所大量收集东北各地自然标本和资料后，增设了陈列室，主要展示岩矿和部分古生物标本，并注明标本的产地、藏量、开采价值和用途等，只供日本少数上层人物观赏研究。
1926年，由于展示的标本种类增多，陈列内容增加，收集标本的地域不断扩大，涵盖了东北及蒙古等地的多种资源，将陈列室改为“满蒙物质参考馆”，同年正式对外开放。
1928年“满蒙物质参考馆”在原建筑的两翼和后部扩建2000平方米，又进一步将历年从我国东北、蒙古、西伯利亚、欧美等地搜集的岩矿标本以及农业、畜牧业、林业、水产业的实物标本和图文资料汇集起来，于同年11月份成立了供科学研究和观赏的“满蒙资源馆”。
1932年在展示原有资源标本外，还增加了东北、蒙古等地的民俗陈列内容， 并将馆名改为“满洲资源馆”。
1945年大连解放后，8月23日由中国长春铁路公司接管本馆，易名为“东北地方志博物馆”中长铁路科研所委托苏联地质专家叶果洛夫担任馆长， 并对原有的陈列进行修整。
1950年11月份，中长铁路局将本馆移交给大连市人民政府文教局管理，同时将馆名改为“东北资源馆”充实调整了陈列内容，主要展览我国东北地区的自然资源和建国后的新成就，成为向广大人民群众进行爱国主义社会主义教育和普及科学知识的文化阵地。
1959年，在庆祝抗战胜利14周年纪念日这天，正式定名为“大连自然博物馆”，并请当时担任中科院院长的郭沫若先生亲笔题写馆名。
大连自然博物馆旧址建筑，是1898年沙俄统治时期修建的市政厅大楼。该建筑是一幢具有浓郁俄罗斯风格的古建筑，是大连市初建时期的代表性建筑之一，1997年被国务院列为国家重点文物保护建筑。
1995年为实施科教兴市战略，保护自然文化遗产，市委、市政府决定移址建新馆。1998年10月，新馆建成并对外开放。新馆坐落于风景秀丽的黑石礁海滨，建筑面积15000平方米，三面环海，礁石环绕。新馆建筑为典型的现代欧式风格，蓝色的屋顶与碧海、蓝天、白云相互辉映，景色怡人。馆内现收藏各种动植物、古生物及岩矿标本10万余件， 其中大型海洋哺乳动物标本是我馆的突出特色。 馆内现开设地球、恐龙、海洋生物、东北森林动物、湿地、物种多样性等11个展厅。展厅内的触摸式多媒体计算机、大屏幕彩电以及中央空调、楼宇自控、保安监控等高科技硬件设备，给观众创造了一个方便舒适的欣赏环境。另外，还有供观众休息、观海的休息厅，供学术研讨等文化主题活动的多功能厅，以及商店、餐饮等服务设施。大连自然博物馆正以崭新的面貌热情欢迎来自国内外的各界朋友。
