Ubicato nella Scuola Medico-Chirurgica di Pisa, presso la Sezione di Anatomia Umana del Dipartimento di Morfologia Umana e Biologia Applicata dell'Università degli Studi di Pisa, il Museo fu inaugurato il 15 novembre 1832 con il nome di Gabinetto Anatomico in una stanza degli "Stabilimenti Anatomici" degli Spedali di Santa Chiara. Promotore dell'iniziativa fu Tommaso Biancini, "dissettore e ripetitore anatomico", ma nel corso del secolo il Museo fu ampliato in modo determinante dal medico pistoiese Filippo Civinini, autore del primo e più importante catalogo delle collezioni. Oggetto di particolare attenzione da parte delle guide ottocentesche della città, gli "Stabilimenti Anatomici" accolsero i preparati utilizzati per le ricerche e le lezioni tenute nello scenografico e suggestivo "Teatro Anatomico" da alcuni dei protagonisti della scuola medica pisana (Paolo Mascagni, Pietro Duranti, Filippo Civinini, Filippo Pacini, Guglielmo Romiti). Nel 1856 la collezione contava già 1617 pezzi. Nel 1884 una parte del materiale patologico fu trasferita nel museo del nuovo Istituto di Anatomia Patologica.

La collezione anatomica, databile a metà Ottocento, comprende diverse raccolte: osteologica (ossa, scheletri interi di varie razze umane, scheletri fetali, crani), sindesmologica (articolazioni e apparati ligamentosi), angiologica (statue anatomiche, preparati sul cuore e sui vasi sanguigni), splanctologica (preparati in formalina degli apparati digerente, respiratorio, nervoso e urogenitale) ed embriologica (feti e annessi fetali). Ne fanno parte, inoltre, modelli anatomici in cera e una serie di straordinarie tavole anatomiche che Antonio Serantoni disegnò per l'Anatomia Universale (Anatomia Universa XLIV tabulis aeneis iuxta archetypum hominis adulti accuratissime repraesentata) di Paolo Mascagni, pubblicata a Pisa a partire dal 1823. La maschera mortuaria di quest'ultimo, in cera, è conservata in una teca di vetro. Infine il Museo conserva una collezione archeologica con materiale precolombiano proveniente da scavi effettuati tra il 1860 e il 1870 da Carlo Regnoli: mummie, crani e corredi funerari con utensili, stoffe e un centinaio di vasi delle culture Chimù e Chancay della costa peruviana risalenti ai secoli XII-XVI. Sono conservate anche due mummie egizie.