Il Museo zoologico "La Specola" si trova ancora oggi nella sede originaria del Museo di Fisica e Storia Naturale da cui ha tratto origine e con il quale ha condiviso quasi un secolo di storia, fino cioè alla ripartizione delle collezioni del glorioso Museo lorenese fra i vari gabinetti del nuovo Istituto di Studi Superiori.

L'Imperiale e Regio Museo di Fisica e Storia Naturale fu fondato nel 1775 dal Granduca di Toscana Pietro Leopoldo nei locali di Palazzo Torrigiani e affidato alla direzione dell'abate Felice Fontana. L'idea era quella di dare una sistemazione organica e razionale alle raccolte scientifiche medicee, già allestite con criteri prevalentemente scenografici nella Galleria degli Uffizi. Nelle sale furono esposti, oltre agli oggetti medicei, strumenti di nuova concezione e cere anatomiche create nelle officine del Museo. L'istituzione si configurava anche come un moderno centro di ricerca: disponeva di laboratori sperimentali, di un giardino botanico, di un osservatorio astronomico, di una biblioteca e, dal 1807, di un liceo per l'insegnamento delle scienze. Il Liceo era composto da sei cattedre scientifiche (astronomia, fisica, chimica, anatomia comparata, mineralogia e zoologia, botanica). Non vigevano particolari norme per l'ammissione alle lezioni: non era infatti richiesto un titolo specifico né una tassa d'iscrizione. Gli studenti non dovevano superare esami e alla fine dei corsi potevano ricevere un attestato privato del professore, non essendo previsto un diploma pubblico. Ciascun docente impartiva almeno due lezioni settimanali dall'inizio di dicembre alla fine di agosto. Al termine di ogni anno scolastico si svolgeva una pubblica seduta nella quale i professori illustravano le scoperte e i progressi delle scienze, evidenziandone le applicazioni pratiche. Nel periodo della Restaurazione i corsi furono soppressi, venendo riattivati solo nel 1833. Dopo la fine del Granducato di Toscana, l'esperienza scientifica del Liceo fu recuperata dalla sezione di scienze naturali dell'Istituto di Studi Superiori di Firenze.

Nel 1841 nel palazzo fu costruita una Tribuna dedicata a Galileo Galilei. A partire dal 1878, le collezioni del Museo furono ripartite tra le varie sezioni del nuovo Istituto di Studi Superiori: al Museo "La Specola" rimasero le cere anatomiche, le collezioni zoologiche e gli strumenti scientifici; questi ultimi furono assegnati, successivamente, all'Istituto e Museo di Storia della Scienza.

L'attuale Museo è noto con il nome "La Specola", perchè nella parte più alta del Museo aveva sede un osservatorio astronomico che, per antica consuetudine, veniva chiamato con il nome di Specola (dal latino specula, che significa vedetta, osservatorio). La ricca e spettacolare esposizione è organizzata in 33 sale (22 per la zoologia, 10 per le cere, 1 per le mostre temporanee) situate al secondo piano dell'edificio; al piano terreno si trova il Salone degli Scheletri, con teche originali del secolo XIX.

La collezione di cere anatomiche comprende opere realizzate tra la fine del Settecento e l'inizio dell'Ottocento, riguardanti l'Anatomia, umana e comparata, oltre a calchi in gesso e disegni. La collezione dei Vertebrati comprende esemplari dei secoli XVIII, XIX e XX, appartenenti alle 5 classi dei Vertebrati: si tratta di preparati in alcool, naturalizzati, in pelle e scheletri. La collezione di Invertebrati dei secoli XIX e XX mostra esemplari a secco e in alcool (modelli di Molluschi Gasteropodi con conchiglia vera e parti molli realizzate in resina).

La biblioteca conserva pregevoli volumi antichi e opere moderne. L'archivio della Sezione comprende l'archivio Giglioli (soprattutto epistolare), l'archivio generale del Museo dalla fine dell'Ottocento in poi e parte dell'archivio della Società Entomologica Italiana.