1975년 제주도관광종합계발계획에 의하여 건설부로부터 박물관건립지구로 결정, 고시가 된 후 1978년 12월 18일 착공하여 1984년 5월 24일 제주도민속자연사박물관으로 개관하였다. 한 때 문화진흥본부에 통합되기도 했으나 2011년 1월 18일 제주특별자치도 민속자연사박물관으로 변경되었다.
제주도의 다양한 자연 자원과 이색적인 민속 문화를 동일 공간에서 감상하고 이해하도록 복합 기능을 부여한 민속자연사박물관이다. 부지 3만 1,515㎡, 건물 5,629㎡ 규모이다. 박물관은 ㅁ자형 건물로 지붕을 제주 초가의 물매 형태와 한라산의 완만한 능선을 표현하였고 마감 재료를 다공질 현무암을 사용하여 지역성을 부각시켰다. 주요 시설은 상설 전시실(자연사전시실과 민속전시실), 특별 전시실, 시청각실, 수장고가 있다.
2019년 12월 현재 고고민속 자료 12,392점과 자연사 자료 30,719점 등 총 43,111점을 소장하고 있다. 특히 1962년 천연기념물로 지정된 제주 무태장어 표본 1점, 국제보호조이며 1968년 천연기념물로 지정된 황새 표본 1점, 1967년에 종(種) 자체가 천연기념물로 지정된 한란이 있다. 이외에도 1991년 제주특별자치도 유형문화재(현, 유형문화유산)로 지정된 「탐라지도 및 지도병서」와 「제주삼읍도총지도」 등을 소장하고 있다.
전시는 실물과 축소 모형, 디오라마(diorama) 기법을 도입하였다. 관람 동선에 따른전시 내용을 보면 먼저 제주상징관이 있고, 자연사 전시실로서 로비에 산갈치, 고래상어, 돌묵상어, 꽁지가오리, 참돌고래가 있다.
자연사실에는 화산 활동에 의한 제주도의 형성 과정, 용암이 흐르고 난 후 굳어 버린 만장굴의 축소 모형, 제주 지방의 각종 암석, 지질 분포도, 한라산 식물 수직 분포도, 곤충의 생태 과정, 산새와 바다새를 전시하고 있다.
민속전시실은 제1·2 전시실로 구분된다. 제1민속전시실에는 제주인의 일생(통과 의례), 주생활의 공간인 초가 1동을 실물 전시하였다. 그리고 1979년 국가민속문화재로 지정된 제주 성읍마을 객주집의 축소 모형, 풍선(범선)과 태왁을 이용한 어로 생활의 발달 과정을 전시하고 있다. 2층에는 갈옷 제작 과정, 향토 음식, 갓 · 모자 공예가 전시되었다. 제2민속전시실은 해녀의 작업 과정, 사냥, 보습불미, 각종 농기구, 밭갈이, 남방아(제주도의 특유한 나무 방아통) 작업 과정을 전시하고 있다.
야외에는 연자마간, 동자석, 망주석 등 석재를 가공한 석물과 가공되지 않은 새끼형 용암석, 신양리 퇴적암 등 자연석이 전시되었다. 또한 앞쪽 광장에도 해안 지대의 특색 있는 암석류가 전시되어 있다.
석물 전시장에는 돌방아, 듬돌, 미륵상, 선정비 등의 전시와 함께 할망당(신앙)도 재현하였다. 정문 입구에는 화산 폭발시 형성된 화산탄, 용암수형석 등을 전시하여 실내외에 전시된 자료를 통해 제주를 쉽게 이해하도록 하고 있다.
조사 연구 사업으로 『유인학술 종합조사』(1999∼2004), 『제주 253Km 해안선지질조사』(2000∼2003), 『마을제조사』(1997∼2003), 『문화재지표조사』(1996∼2004), 『유인도 학술조사』(2005∼2007), 『무인도 학술조사』(2005∼2008), 『작은뻐꾸기사촌(Centropus bengalensis)의 국내 첫 관찰』(2010) 등을 진행하였다. 특별전으로는 1984년 ‘청강기증품 및 산악인 고상돈 유품전’과 ‘제주 명사서화 유작전’을 비롯하여 ‘제주의 전통식생활’(2010)과 ‘제주도와 연을 맺은 곤충들’(2011) 등 현재(2011년)까지 117회의 전시를 개최하였다.
그리고 연간 120만 명 이상의 국내외 관람객들을 대상으로 박물관 어린이교실, 제주도 자연생태탐사, 문화관광, 설․ 추석 민속행사, 갈옷 물들이기, 햇차시음회, 해양생물 터치풀, 이동전시, 제주어바로알기 등의 사회교육 프로그램을 시행하고 있다.