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  1850年牛津大學的自然科學名譽學校(通過參加課程可以獲得名譽學位的機構)建立,但其教學器具、解剖學和自然史標本都散放儲存在散佈於整個城市裡的牛津各個學院中。1855到1860年間,欽定醫學教授亨利·埃克蘭德爵士多次呼籲建立一座博物館,將分散的自然科學標本統一儲存和展示。他在1858年舉辦了一次講座,闡述了建立博物館的重要性,他認為牛津大學過於偏重神學、哲學、經典和歷史等人文學科的研究,需要給學生一個瞭解自然界的機會了,需要“讓學生獲得關於造物主偉大設計的知識,因為我們自身也是其中的一員”。這種將自然視作神的第二本書的想法,在19世紀十分常見。  1855年博物館工程正式動工。1857年,阿什莫林博物館負責人,地質學家約翰·菲利普斯被任命為首任館長。在他的組織下,牛津的天文、幾何、實驗物理、礦物學、化學、地理學、動物學、解剖學、生理學和醫學諸系相繼搬入此處。1860年博物館正式對外開放。博物館完成後,許多實驗室都在大學博物館建立後,於館址周邊設立,如於1870年建立的,比劍橋大學卡文迪什實驗室成立還來的早的克拉倫登實驗室。  1885-1886年,博物館的東面增添了一座新建築,由托馬斯·紐曼·迪恩之子托馬斯·曼利·迪恩設計,用於儲存奧古斯圖斯·皮特·裡維斯將軍的種族學標本,即今日的皮特·裡維斯博物館。按照19世紀的思維,神所造之物是自然史研究的範疇,而人所造之物是人類學研究的範疇,區分這兩者十分重要。隨著系的規模越來越大,各個系逐漸都搬到南公園路附近的新址,組成了牛津科學區。最後一個搬出的是昆蟲系,它於1978年搬入動物系樓,但近日在博物館的二層仍有一個昆蟲系的實驗室。1996年博物館的名稱從牛津大學博物館改為牛津大學自然史博物館。

  

  1860年6月28日,英國科學促進會改在新開放的牛津大學自然史博物館召開年會。6月30日,圍繞美國科學家約翰·威廉·錐伯的一篇文章,達爾文的好友托馬斯·亨利·赫胥黎與牛津主教塞繆爾·韋伯佛斯(Samuel Wilberforce)發生了關於進化論的爭論,約瑟夫·道爾頓·胡克等著名科學家也參與其中。雖然對該事件的記錄和描述,都顯示支援達爾文進化論一方的理據較有說服力,唯赫胥黎支持者的相關報導似乎傾向將此辯論內容渲染成激烈的對立辯論,以追求轟動效應。

  1894年無線電報在牛津大學博物館首次公開展示,由英國物理學家奧利弗·約瑟夫·洛奇爵士展示無線電報的基本原理,當時的演講廳擠滿人群,觀眾包括物理學家瑞利男爵、電機工程師亞歷山大·繆爾黑德、電氣工程師和物理學家約翰·弗萊明與物理學家西拉·菲利普斯·湯普森等。

  自然史博物館為哥德復興式建築,由愛爾蘭建築師托馬斯·紐曼·迪恩及本傑明·伍德沃德所設計,其設計方案受到文學和藝術評論家約翰·拉斯金的直接影響,拉斯金本人也在伍德沃德設計時提出過很多建議。建築所需經費部分由牛津大學出版社以出售聖經所得,此事實在2011年紀念達爾文活動的宗教和科學意義的辯論中被提及。  雖然牛津大學募集了建造博物館的費用,但博物館的內部裝飾是由公眾捐款進行,所以建築落成後,有些內部裝飾尚未完成。愛爾蘭的石頭雕刻師奧謝和惠蘭進行了內部裝飾工作,創作了一些新哥特式的雕塑,今日館內一樓的科學家的雕像包括亞里士多德、弗蘭西斯·培根、查爾斯·達爾文、卡爾·林奈,有些就是他們的作品。而約翰·菲利普斯館長參與了博物館建築廊柱的設計,他採用當時植物科學的成果,採取忠於自然的植物樣貌方式來雕刻,並以科學植物分類法來排序。

  博物館的展品主要來自他人捐獻及科學家收集,包括來自阿什莫林博物館的自然史標本。博物館有收有恐龍等化石。收集的館藏含昆蟲學、地質學、礦物學與岩石學及動物學等標本:  牛津自然史博物館可以免費參觀,平均每年接待超過三十萬名遊客,其中有約一萬五千名校方組織參觀的學生,但因內部整修,2013年閉館一年。現任博物館館長為保羅·史密斯教授,管理上分為四個部門:地理、礦物、動物和昆蟲,每個部門都有策展人負責,除此之外還有負責教育、網路、圖書館、儲存和技術方面的人員。
牛津大學自然史博物館(英語:Oxford University Museum of Natural History),有時簡稱牛津大學博物館(英語:Oxford University Museum),是牛津大學收集陳列自然史標本的大學博物館,位於英國牛津大學基伯爾學院對面。牛津大學自然史博物館為達爾文發表進化論的機構;創館時的館長為地質學家約翰·菲利普斯,為達爾文進化論的主要懷疑者之一。該博物館的講座大廳,曾是1860年牛津進化論大辯論的場址,現時由大學的化學、動物學及數學系所使用。