Spolek přátel přírody byl založen v roce 1849 a od počátku měl ambici vytvořit sbírkotvornou instituci, proto se jeho členové intenzivně věnovali sběru přírodnin. Po letech přidělilo městské zastupitelstvo spolku dvě místnosti v budově dnešní školy na rohu Masarykovy a Šamánkovy ulice. Sbírky v té době zahrnovaly stovky dermoplastických preparátů, desítky lihových preparátů, zvířecí kostry, velkou sbírku měkkýšů, herbáře, stovky minerálů a hornin aj. Kromě regionálních dárců věnoval Spolku řadu dermoplastických preparátů Dr. Emil Holub.
V roce 1901 byly potřeba větší prostory a muzeum se přestěhovalo do 2. patra nové liberecké radnice. Zde byla expozice otevřena v květnu 1902. Sbírky v té době obsahovaly mnoho tisíc sbírkových předmětů. K dalšímu stěhování došlo v roce 1909. Muzeum se nově nacházelo v dnešní Moskevské ulici, kde v současnosti sídlí Naivní divadlo. V roce 1939 musel spolek svou činnost přerušit, a sbírky daroval městu. Po dobu druhé světové války město uložilo cenné sbírky i rozsáhlou knihovnu čítající přes 7 000 svazků a separátů nešťastně ve staré tovární budově, kde v té době byli ubytováni také němečtí vojáci, kteří sbírky a knihovnu poničili a rozkradli.
Po roce 1945 došlo ke spojení libereckých muzeí. Zbytky přírodovědeckých sbírek byly provizorně uskladněny a postupně asanovány, restaurovány a konzervovány. V roce 1947 byly tyto sbírky deponovány do budovy Masarykova 18 přímo naproti hlavní budově Severočeského muzea, a vznikla nová expozice. V roce 1956 však byla do této budovy náhle umístěna hygienická stanice. Sbírky byly překotně vystěhovány a opět provizorně uloženy ve sklepních prostorách, a opět poškozeny. Paradoxně byla v roce 2017 tato budova opět přidělena Severočeskému muzeu, nyní zde sídlí její ředitelství. V prosinci 1957 byla pro veřejnost otevřena první přírodovědná expozice v hlavní budově muzea, která prezentovala přírodu severních Čech. Tato expozice vydržela až do 80. let 20. století, kdy byla nahrazena novou. Tato nová stálá expozice byla slavnostně otevřena v červnu 1988. Představovala přírodu celého tehdejšího Severočeského kraje, po změnách administrativního členění ČR došlo i po roce 2010 k úpravám expozice a jejímu omezení pouze na Liberecký kraj. V letech 2018–2020 proběhla rozsáhlá rekonstrukce celé budovy muzea včetně expozičních prostor. Vznikly nové expozice s řadou interaktivních a edukačních prvků a současná expozice přírody regionu dostala název Doteky severu a věnuje se přírodě Jizerských hor a Frýdlantského výběžku.
V současnosti čítají sbírky přírodovědného oddělení několik desítek tisíc předmětů (přibližně 30 000 předmětů má sbírka entomologie, cca 35 000 botanika, cca 3 500 zoologie, cca 4 500 geologie a cca 900 paleontologie). Od roku 1958 oddělení vydává recenzovaný odborný časopis Sborník Severočeského muzea – přírodní vědy.
