Il Museo ha sede nella settecentesca villa Henderson.

Fu istituito nel 1929 sulla base del ricco materiale scientifico del Gabinetto di Storia Naturale dell'Istituto Tecnico "Amerigo Vespucci", raccolto tra il 1871 e il 1909 da naturalisti livornesi. Purtroppo durante i bombardamenti del 1944 il patrimonio naturalistico andò distrutto. Dopo la guerra il Museo fu trasferito presso l'Acquario Comunale e nel 1952 fu riaperto al pubblico. Nel 1980, finalmente il Museo viene trasferito nell'attuale sede di Villa Henderson, il cui edificio principale, completamente ristrutturato, ospita il cuore operativo dell'Istituto.

Il Museo offre al visitatore 7 percorsi espositivi organizzati in su una superficie di circa 7000 mq.

* Sala del mare - biologia ed evoluzione dei cetacei con esposizione di scheletri, sezione dedicata ai fondali marini del Mediterraneo riprodotti attraverso diorami

* Sala degli invertebrati - esposizione di esemplari di invertebrati terrestri e marini corredati di pannelli esplicativi

* Sala dell'Uomo - storia ed evoluzione dell'uomo nel Mediterraneo, esposizione di manufatti del territorio livornese

* Sala di Geopaleontologia - storia dell'evoluzione del mondo biologico, esposizione di reperti fossili animali e vegetali e minerali

* Sala dell'Uomo nel mediterraneo - evoluzione dell'uomo attraverso le principali ere: Mesolitico, Neolitico, Età del Rame, Età del Bronzo, Età del Ferro

* Sala di anatomia comparata dei vertebrati - percorso sui rapporti evolutivi e sistematici esistenti tra i cinque ordini di vertebrati: pesci, anfibi, rettili, uccelli e mammiferi

* Il volo in Natura - percorso dedicato alla storia delle strategie di volo nel mondo vegetale ed animale.

Inoltre è presente un Orto botanico che ospita esemplari tipici della Macchia Mediterranea con particolare attenzione alle specie protette.Presso il Museo è attivo un Centro di Educazione Ambientale, che rappresenta a tutti gli effetti la sezione didattica del Museo, dotato di laboratori didattico/scientifici dove vengono trattati temi quali la Botanica generale, la Conservazione del Germoplasma, l’Archeologia-Antropologia, la Genetica di popolazione, la Biodiversità degli ambienti mediterranei; annualmente viene presentata una offerta didattico – scientifica rivolta alle scuole.

Il Museo svolge un'intensa attività divulgativa con conferenze, incontri, ospitando le iniziative di associazioni diverse il cui calendario è consultabile sul sito web ufficiale.