En 1824, le chanoine Charles-Aloyse Fontaine (1754-1834) lègue ses collections d’histoire naturelle au gouvernement fribourgeois « pour en être fait un établissement public au profit de l’instruction ». Sa collection comporte des minéraux, des cristaux, des pierres polies telles que des agates et des marbres, des coquillages, des animaux marins, des papillons et des insectes, plusieurs oiseaux, un herbier et des livres de sciences naturelles. Cette remarquable donation marque la fondation du Musée cantonal de Fribourg. Installé dans le gymnase du Collège St-Michel, il ouvre ses portes au public pour la première fois en avril 1826.
Les collections se sont rapidement enrichies grâce aux dons de bienfaiteurs, comme le colonel Joseph de Buman qui remis au Musée une collection de 124 oiseaux naturalisés ou le capitaine de Chollet, engagé au service de Naples, qui rapporta une collection de minéraux du Vésuve. L’institution se trouva rapidement à l’étroit et, dix ans après sa fondation, ses collections furent transférées dans le nouveau Lycée du Collège St-Michel.
Dans la seconde moitié du 19e siècle, les collections du Musée cantonal connurent des destins variés. Elles furent d’abord pillées en 1847 par les troupes bernoises lors de la guerre du Sonderbund, puis divisées l’année suivante en deux secteurs distincts : «histoire naturelle» et «art et histoire». Des acquisitions prestigieuses sont néanmoins à noter comme celles d’une baleine naturalisée, d’un squelette de cachalot, d’un rhinocéros et d’un éléphant des Indes. En 1893, le chanoine Franz Lorinzer, un missionnaire, légua ses collections de minéralogie, de paléontologie et son herbier. Ce don est le plus important depuis la fondation du Musée.
En 1897, le Musée d'histoire naturelle déménage à nouveau et s’installe dans une ancienne fabrique de wagons sise au Plateau de Pérolles, à proximité de la nouvelle faculté des sciences de l’Université.
Durant la première moitié du 20e siècle, l’accroissement des collections du Musée résulte en partie des activités d’explorateurs comme Raymond de Boccard, qui rapporta de nombreuses espèces d’animaux de ces voyages en Afrique, ou de missionnaires comme le Père Buch qui, durant près de quarante ans, envoya des centaines d’oiseaux, de reptiles et batraciens, de mammifères et d’insectes depuis la Chine puis du Viêt-Nam.
Cette période est aussi marquée par la collaboration de Firmin Jaquet. Depuis 1907, cet instituteur travaille à la révision des herbiers du Musée. En 1918, il cède gratuitement les 15'000 espèces de plantes de son herbier au Musée, en échange d’un poste à vie d’assistant de botanique. Ses herbiers conservés au Musée d'histoire naturelle, ainsi que son Catalogue raisonné des plantes vasculaires du canton de Fribourg et des contrées limitrophes (1930), restent toujours et encore la source d'information la plus importante sur les plantes du canton.
En 1973, les travaux de rénovation des différentes salles d'expositions permanentes commencent. En 1976, a lieu la première exposition temporaire au Musée d’histoire naturelle sous le titre «Coléoptères suisses et exotiques». La première exposition «Poussins» ouvre ses portes en 1982 et connait un succès croissant jusqu'en 1996 où le Musée accueille plus de 75'000 visiteurs. Le Musée se dote d'un site internet dès 1996 et lance le projet de suivi satellitaire des oiseaux migrateurs en 1999. En 2008 commencent les travaux de rénovation de la "salle de la baleine". Baptisée "Vertébrés du Monde", elle est inaugurée le 14 décembre 2010.