Il museo fu istituito nel 1929, ma chiuso in seguito alle distruzioni avvenute durante la seconda guerra mondiale. Trasferito presso l'Acquario Comunale fu riaperto nel 1952 e trasferito nel 1980 presso la sede attuale. Il museo costituisce un centro di cultura scientifica e di ricerca per programmi di salvaguardia e conservazione del patrimonio naturale. La parte espositiva è in corso di allestimento. Nel dicembre 2000 è stata aperta la sala del mare, che ospita lo scheletro della grande balenottera Annie e altre specie di cetacei, tartarughe marine, pesci e uccelli legati all'ambiente marino Mediterraneo. Nel parco della villa e negli spazi un tempo adibiti a orti è stato creato un orto botanico dedicato alla flora e alla vegetazione della regione mediterranea, con particolare riferimento alle comunità presenti sulla costa livornese e nell'Arcipelago Toscano.