Già sul finire del Cinquecento, i Medici vollero che nel Giardino dei Semplici pisano – l'Orto botanico – sorgesse una "Galleria" di reperti naturali e di curiosità, primo nucleo di collezioni continuamente arricchite, grazie allo stretto legame con l'Università. Raggiunta una completa autonomia dal Giardino dei Semplici (1814), nel corso del secolo XIX, sotto la direzione di Paolo Savi, il Museo divenne uno dei più importanti d'Italia per le splendide raccolte zoologiche, geologiche, paleontologiche, mineralogiche e per la spettacolare "galleria delle balene". Ancora oggi, dopo il trasferimento dalla vecchia sede di via Santa Maria agli spettacolari locali della Certosa di Calci, concessi in uso perpetuo all'Università di Pisa, si colloca tra i primi musei scientifici universitari per importanza e ricchezza delle collezioni.

Le prime sale ripercorrono la storia dell'istituzione: reperti rari e curiosi, conchiglie decorate, coralli ricreano perfettamente una "camera delle meraviglie" rinascimentale. Notevoli sono i gruppi di animali imbalsamati da Paolo Savi tra il 1820 e il 1830, che destarono giustificata meraviglia alle Esposizioni Universali dell'Ottocento e che furono ritenuti insuperabili dai maggiori musei europei.

La collezione zoologica è composta da quasi 300.000 reperti, raggruppati in tre raccolte principali di origine settecentesca e ottocentesca: la galleria delle balene è una delle più importanti e sorprendenti raccolte di scheletri di cetacei esistente in Europa. Il Museo comprende anche la galleria dei rettili e anfibi, dove sono esposti scheletri di enormi serpenti, gusci di testuggini, un diorama dell'iguana. Nella sezione dedicata ai mammiferi, si può ammirare una grande zanna di Elephans antiquus, il cui ritrovamento sulle spiagge livornesi nel 1881 fu ampiamente commentato persino sulle pagine del "London News".

Ricchissime anche le collezioni mineralogiche e paleontologiche che rimandano ai personaggi di spicco della scuola scientifica pisana: Giuseppe Meneghini, Antonio D'Achiardi, Leopoldo Pilla, Mario Canavari. La maggioranza dei reperti di queste collezioni è databile a partire dalla metà dell'Ottocento, anche se non mancano oggetti più antichi provenienti dal periodo mediceo.

L'Archivio storico del Museo è conservato presso il Dipartimento di Scienze della Terra, mentre gli inventari seicenteschi si trovano presso l'Archivio di Stato di Pisa.