พิพิธภัณฑ์ธรรมชาติวิทยา มีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นศูนย์กลางการศึกษาวิจัยด้านธรรมชาติวิทยาของประเทศไทยและประเทศใกล้เคียง และยังเป็นศูนย์จัดแสดงนิทรรศการความหลากหลายทางชีวภาพ ซึ่งนำเสนอตั้งแต่การกำเนิดโลก สู่กำเนิดสรรพสิ่งและสิ่งมีชีวิต ที่ล้วนผ่านกระบวนการวิวัฒนาการมานานและยังคงดำเนินเช่นนี้ต่อไป เพื่อดำรงไว้ซึ่งความหลากหลาย อาคารจัดแสดงมี 2 ชั้น ส่วนแสดงนิทรรศการ ประกอบด้วยส่วนแสดงนิทรรศการถาวร ส่วนแสดงนิทรรศการหมุนเวียน และห้องแสดงนิทรรศการ น.พ. บุญส่งเลขะกุล ส่วนคลังเก็บวัสดุตัวอย่าง ประกอบด้วยคลังเก็บวัสดุตัวอย่างแห้ง และคลังเก็บวัสดุตัวอย่างเปียก วัสดุตัวอย่างเริ่มต้นจากการบริจาคตัวอย่างนกและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมจากครอบครัวนายแพทย์บุญส่ง เลขะกุล และตัวอย่างปลา สัตว์สะเทินน้ำสะเทินบก สัตว์เลื้อยคลาน และสัตว์ทะเลที่ไม่มีกระดูกสันหลัง จากสถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศไทย ต่อมาจึงได้เก็บตัวอย่างพืชและสัตว์ทุกชนิดต่อเนื่องมาถึงปัจจุบัน