1824 schenkt der Chorherr Charles-Aloyse Fontaine (1754-1834) seine naturgeschichtliche Sammlung der Freiburger Regierung, "um daraus eine öffentliche Einrichtung im Kollegium zum Nutzen der Ausbildung zu machen". Die Sammlung enthält "Mineralien, Kristalle, Achate, Marmor und andere polierte Steine, Versteinerungen und Abdrucke, Muscheln und Meerestiere, Schmetterlinge und Insekten, mehrere Vögel, ein schönes Herbar" und Bücher zur Naturgeschichte. Diese bemerkenswerte Schenkung bildet den Grundstein des Freiburger Kantonsmuseums, aus dem die beiden heutigen Institutionen des Naturhistorischen Museums und des Museums für Kunst und Geschichte hervorgegangen sind. Sie wird im Gymnasium des Kollegiums St. Michel untergebracht und im April 1826 zum ersten Mal der Öffentlichkeit zugänglich gemacht.
Die Sammlung kann ziemlich rasch vergrössert werden dank Schenkungen von Wohltätern wie Colonel Joseph de Buman, der dem Museum eine Kollektion von 124 ausgestopften Vögeln überlässt oder Hauptmann de Chollet, der in Neapel Dienst tut und von dort eine Sammlung mit Mineralien vom Vesuv mitbringt. Die Institution leidet infolgedessen an akutem Platzmangel, sodass das Museum 10 Jahre nach seiner Gründung ins neue Lyzeum des Kollegiums St. Michel verlegt wird.
In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts erleben die Sammlungen des kantonalen Museums grundlegende Veränderungen: Während des Sonderbundskriegs werden sie 1847 von den bernischen Truppen ausgeplündert und im folgenden Jahr in zwei verschiedene Abteilungen aufgespalten, das „Naturgeschichtliche Museum“ einerseits und das „Museum für Kunst und Geschichte“ andererseits. Es können wertvolle Neuanschaffungen verzeichnet werden wie die eines ausgestopften Wals, eines Pottwal-Skelettes, eines Rhinozerosses und eines indischen Elefanten. 1893 überlässt der Chorherr und Missionar Franz Lorinser dem Museum seine Mineraliensammlung, die paläontologischen Funde und sein Herbarium - die seit der Gründung des Museums bedeutendste Schenkung.
1897 zieht das Naturgeschichtemuseum erneut um und wird in einer ehemaligen Eisenbahnwaggonfabrik neben der naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Pérolles untergebracht.
Während der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts können die Sammlungen erheblich vergrössert werden dank Forschern wie Raymond de Boccard, der von seinen Reisen nach Afrika zahlreiche Tierarten mitbringt oder Missionaren wie Pater Buch, der dem Museum während nahezu 40 Jahren Hunderte von Vögeln, Reptilien und Krötenarten, Säugetieren und Insekten aus China und Vietnam zu senden pflegt.
In diese Zeit fällt auch die Mitarbeit von Firmin Jaquet, einem Lehrer, der seit 1907 mit der Revision der Herbarien betraut ist. 1918 schenkt Jaquet dem Museum ungefähr 15‘000 Pflanzen aus seinem persönlichen Herbarium, als Gegenleistung erhält er eine Stelle auf Lebenszeit als Assistent in Botanik. Seine im Museum aufbewahrten Herbarien sowie sein Gefässpflanzenkatalog Catalogue raisonné des plantes vasculaires du canton de Fribourg et des contrées limitrophes (1930) bilden heute noch die bedeutendste Informationsquelle zur Pflanzenwelt des Kantons Freiburg.
1973 wird mit der Renovierung der verschiedenen Säle für Dauerausstellungen begonnen. 1976 findet im Naturhistorischen Museum die erste Sonderausstellung zum Thema Käfer statt: „Coléoptères suisses et exotiques“. 1982 wird die erste Kükenausstellung organisiert, die sich rasch einer grossen Beliebtheit erfreut und steigende Erfolge feiert. In Rekordjahr 1996 verzeichnet das Museum über 75‘000 Besucherinnen und Besucher . 1996 legt sich das Museum eine Website zu und 1999 wird das Projekt der Satellitenüberwachung von Vogel-Migrationen lanciert. 2008 wird mit den Renovierungsarbeiten des Ausstellungsaales „Wal“ begonnen, welcher am 10. Dezember 2010 als Saal der „Wirbeltiere aus aller Welt“ wiedereröffnet wird.