L'Accademia delle Scienze di Siena, detta dei "Fisiocritici" (giudici della natura), fu fondata nel 1691 nella "libreria" dello Spedale Santa Maria della Scala di Siena da Pirro Maria Gabbrielli, docente di Medicina e Botanica nell'Ateneo senese. Obiettivo primario dell'Accademia fu lo studio dell'origine dei fenomeni naturali attraverso verifica sperimentale e suo emblema fu la Pietra di Paragone, in latino Lapis Lidius, per indicare che l'istituzione aveva il fine di far conoscere il vero così come la Pietra di Paragone aveva lo scopo di distinguere il vero oro dal falso. Trasferita nel 1694 in una sala della Sapienza, sede dell'Università, dopo il disastroso terremoto del 1798 trovò una nuova ubicazione nell'ex Monastero dei Camaldolesi. Qui l'ingegnere Giuseppe Pianigiani ricostruì fedelmente in marmo graffito la meridiana a camera oscura che Gabrielli aveva costruito nel 1704 nella vecchia sede e che aveva battezzato "Eliometro fisiocritico".

Considerata una delle società culturali più famose d'Europa, l'Accademia ha avuto tra i soci illustri scienziati come Antonio Vallisneri, Giovanni Battista Morgagni, Carlo Linneo, Leonardo Ximenes, Lazzaro Spallanzani, Felice Fontana, Joseph-Louis Lagrange, Alessandro Volta, George Cuvier, Louis Pasteur e molti altri. Dal 1789 al 1815 fu presieduta da Paolo Mascagni che le conferì un maggiore impulso scientifico.

Il nucleo originario delle collezioni naturali dell'Accademia, oggi conservate nel Museo, risale alla metà del XVIII secolo. In particolare sono da citare la collezione "Paolo Mascagni", che comprende i volumi della biblioteca personale, le opere dello scienziato, l'archivio della famiglia e i preparati anatomici realizzati con la tecnica della iniezione di mercurio metallico nei vasi linfatici; la collezione "Francesco Valenti-Serini", una vastissima raccolta di modelli in terracotta di funghi eduli e velenosi, comprendente modelli e tavolette, che mostrano i funghi nei vari momenti del loro sviluppo e in sezione; la collezione "Francesco Spirito", con preparati anatomici trattati con un processo di pietrificazione messo a punto nella prima metà del Novecento da Francesco Spirito, docente di Ostetricia e Ginecologia.

Notevoli la collezione zoologica, con raccolte di Vertebrati e Invertebrati, tra le quali si segnalano i Mammiferi, soprattutto marini, raccolti dal 1970 a oggi lungo le coste della Toscana, e la collezione geologica, consistente soprattutto in campioni del territorio della Toscana meridionale, frutto di donazioni avvenute nel Settecento e nell'Ottocento.

Nell'Archivio Storico si conservano documenti manoscritti relativi alla vita e alla storia dell'Accademia e, più in generale, alla storia della scienza senese.