Музей начинался с чужих коллекций. Его официальная дата — 1832 год, когда первый директор Фёдор Брандт показал академикам экспозицию в 3 залах музейного флигеля; собрание выделили из Кунсткамеры. Основу положили коллекции, купленные в Европе в 1716-1717 годах, и указы о доставке диковин со всей страны. Сегодня в выставочных залах около 30 000 экспонатов, и музей считается одним из трёх крупнейших зоологических собраний мира.
Своё нынешнее здание он получил в 1893 году — южный пакгауз Биржи на стрелке Васильевского острова. Пакгауз, то есть склад, строили не под музей, и залы приспосабливали к помещениям, а не наоборот. Для посетителей музей открыли после реконструкции в 1901 году, в присутствии Николая Второго; тогда же экспозицию впервые разделили на выставочную и научную части. Экспозиция занимает большую часть второго этажа и хоры первого зала — около 6000 квадратных метров.
Первый зал отдан морским млекопитающим: под потолком висит скелет синего кита длиной 27 метров, а на хорах, вторым ярусом, стоят витрины с насекомыми. На стенах — карта с маршрутами экспедиций и схема эволюционного древа. Во втором зале собраны беспозвоночные и рыбы, в третьем — млекопитающие, и там же показывают тасманийского волка и скелет стеллеровой коровы, животных, которых больше нет.
Известность музею принесла экспозиция мамонтового зала. В нём стоят чучело и скелет Берёзовского мамонта, найденного в Сибири, и лежат мумии 2 мамонтят — Димы и Маши, — возраст которых оценивают примерно в 40 000 лет. Рядом выставлен скелет южного слона.
К 1882 году, к пятидесятилетию, музей занимал 32 зала, а научные коллекции выросли почти в 20 раз — до 40 тысяч единиц. Многое принесли экспедиции Николая Пржевальского и Петра Козлова по Центральной Азии; по фауне Палеарктики собрание считалось лучшим в мире. А в 1922 году вице-президент Академии наук Владимир Стеклов писал, что коллекции портятся и научная работа становится невозможной. В 1931 году музей преобразовали в институт, а выставочная часть сохранила прежнее название.
В блокаду экспозиция уцелела, но сотрудники гибли, и у входа висит мемориальная доска с их именами. Сегодня музей — часть Зоологического института, а не отдельное учреждение. Первые экспонаты Кунсткамеры до сих пор показывают на хорах первого зала. Пакгауз, где когда-то лежал товар, теперь держит китовый скелет: здание строилось для ящиков, а не для чучел, и вся экспозиция выросла из этого неудобства.
