Fu istituito nel 1929 con il nome di Museo Provinciale di Storia Naturale di Livorno per accogliere il materiale scientifico del Gabinetto di Storia Naturale dell'Istituto Tecnico "Amerigo Vespucci", raccolto tra il 1871 e il 1909 da illustri naturalisti livornesi. Durante i bombardamenti del 1944 il patrimonio and๒ in gran parte distrutto. Il Museo, riaperto al pubblico nel 1952, fu trasferito nel 1980 nella sede attuale, la settecentesca Villa Henderson, che ospita gli uffici, la biblioteca e alcuni laboratori.

Il Museo presenta uno spazio dedicato prevalentemente ai cetacei (Sala del Mare), un percorso didattico sull'evoluzione umana nell'area mediterranea (Sala dell'Uomo), altre sezioni naturalistiche e uno spazio ben attrezzato di didattica scientifica e ambientale.

Nel giardino della villa ่ allestito un Orto Botanico dedicato alla flora della regioni mediterranee, suddiviso in settori sulla base dei diversi substrati (calcari, gabbri, graniti, dune e zone umide). Le collezioni botaniche sono arricchite da erbari di specie vegetali provenienti dalla Toscana e dal deserto della Giordania Meridionale. Una banca dei semi conserva elementi provenienti dal territorio della provincia di Livorno e dallo stesso Orto Botanico.

Da segnalare inoltre il Planetario, che consente l’esplorazione virtuale del cielo accompagnati dal personale scientifico del Museo e dagli esperti dell'Associazione Livornese Scienze Astronomiche (ALSA).