A bukaresti Természettudományi és Régiségtudományi Múzeumot 1834. november 3-án alapították. Az új kulturális és tudományos intézménynek 1250 görög, római és bizánci érméből álló gyűjteményt, 150 darabos ásványgyűjteményt, 213 puhatestű kagylót, valamint számos halat, madarat, emlőst és kövületet adományoztak, ezzel elindítva mindazt, amelyet ma az ország egyik legjelentősebb gyűjteményeként tartunk számon.

A Természettudományi és Régiségtudományi Múzeum néven alapított intézmény igazgatója 1893-ban Grigore Antipa tudós lett. Az 1893-ban általa átvett, 2038 darabból álló gyűjteményt 200 000 darabra növelte, amelyek közül a leglátványosabbak az általa a modern muzeológiai elvek szerint szervezett állandó kiállításokon voltak láthatók.

1903-ban Grigore Antipa kérést nyújtott át Dimitrie Sturza miniszterelnöknek, amelyben bizonyította, hogy szükség van egy célzott épületre, hogy „az ország fővárosához méltó Természettudományi Múzeumot” szervezzen. A Minisztertanács jóváhagyta a projektet és a 350 000 lejes összeget, amely az épület felállításához volt szükséges a kijelölt 23 000 négyzetméteres telken. Így a következő évben (1904) megkezdődtek az új múzeumépület építési munkálatai Mihail Rocco mérnök tervei alapján.

A munkálatok 1906-ban fejeződtek be, és az összes gyűjteményt átvitték az új épületbe. Ezzel megkezdődtek a rendszerezési munkálatok is. A múzeum hivatalos megnyitójára az új épületben 1908. május 24-én került sor I. Károly király, Ferdinánd herceg és Mária hercegnő jelenlétében. Ebből az alkalomból 16, Grigore Antipa által kialakított termet nyitottak meg a látogatók előtt, amelyek közül az egyikben négy “élettér” – a szaharai sivatag, az afrikai szavanna, az amerikai préri és a tundra – volt látható. A világon az elsők között voltak ezek a típusú kiállítások, minőségüknek köszönhetően pedig számos más hazai és külföldi múzeum számára mintául szolgáltak.

A következő években geológiai, ásványtani, paleontológiai, anatómiai, antropológiai, általános néprajzi és ökológiai tárlatokat avattak fel. 1914-ben az épületre márványtáblát helyeztek el a „Nemzeti Természettudományi Múzeum” felirattal.

1996 novemberében megkezdődtek a múzeum épületének állagmegőrző munkálatai, amelyekre az 1940-es, 1977-es, 1986-os és 1990-es földrengések, valamint a földalatti vasút építési munkálatai következtében meggyengült ellenálló szerkezet miatt volt szükség. Ennek következtében a múzeum 1997. augusztus 31-én bezárta kapuit a nagyközönség előtt, majd szakaszosan nyitott meg újra: az alagsor (1999), a földszinti termek (2000), az emeleti első két terem (2001), majd a romániai állatvilágnak és a világ főemlőseinek szentelt termek az emeleten (2002).

1989 decembere után a gyűjtemények tovább gazdagodtak az országban tett utazások során gyűjtött anyaggal, de a múzeum által szervezett indonéziai (1991) és brazíliai (1994) expedíciók során is számos kincs került a kiállítóterekbe. A korszerűsítési munkálatok 2009 februárjában kezdődtek, és a múzeum 2011. szeptember 17-én nyitotta meg újra kapuit a nagyközönség előtt, öt új teremmel, amelyekben dokumentumfilmek, 3D-s vetítések, plazmaképernyők és interaktív kijelzőrendszerek találhatók. Jelenleg vannak multimédiás termek és laboratóriumi részek is, ahol a látogatók tudományos kísérleteket és laboratóriumi munkát végezhetnek.

Jelenleg a Grigore Antipa Nemzeti Természettudományi Múzeum tudományos öröksége mintegy 2 millió gerinctelen és gerinces példányt tartalmaz Romániából és különböző földrajzi területekről, az Egyenlítőtől a sarkvidékig, a víz felszínétől a több mint 6000 méteres mélységig gyűjtött példányokból. A múzeum legnagyobb tudományos gyűjteménye a rovargyűjtemény több mint 1 100 000 mintával, amelyek közül néhányat több mint 100 évvel ezelőtt gyűjtöttek. Ezt követi a puhatestűek tudományos gyűjteménye 230 000 példánnyal és a rákgyűjtemény több mint 185 000 példánnyal. A gerincesek gyűjteménye összesen 46 500 példányt számlál – olvasható a múzeum oldalán.

A Grigore Antipa Nemzeti Természettudományi Múzeum küldetése a biológiai sokféleség tanulmányozása a gyűjteményeken alapuló kutatásokon keresztül, a szabadidő hasznos eltöltése, a Románia és a világ állatvilágával kapcsolatos ismeretek népszerűsítése, valamint a közvélemény figyelmének felkeltése a környezetvédelemi problémákra.