지구가 탄생한 46억년 전의 역사를 재조명하고 생물이 탄생하는 과정과 현세의 자연환경속에서 진화하여 온 다양한 생물체를 체계적으로 발굴, 연구, 전시함으로써 국민들에게 새로운 자연환경과 인문 문화의 만남을 제공하기 위해 건립되었다.
목포자연사박물관의 모태는 목포시 향토문화관이다. 1983년 7월 1일 산수화가 남농 허건이 기증한 1,700여점의 수석과 200여점의 그림, 그리고 농림부장관을 역임한 농암김성훈이 기증한 해외산 조개류 2,000여점 등으로 수석실, 운림산방 4대 작가실, 화폐전시실, 산호전시실 등 5개 전시실을 열게 되었다.
이후 1997년 정부의 지역 문화유산을 발굴하고 보존, 관리를 종합적으로 수행할 수 있는 서남권의 신규 박물관 건립을 위한 타당성 조사에서 목포시가 선정되었다. 이때 향토문화관은 목포자연사문화박물관으로 명칭이 변경되었고 국내 최고의 자연사박물관 설계를 실시하였다. 한편 사업비 중 25%를 투자하여 국내에서 보기 힘들고 세계적으로 가치가 높은 공룡골격 복제품 및 광물, 화석, 보석류와 국내 자연환경에서 흔히 볼 수 있는 곤충류 12,000여점, 식물표본 중 목본류, 초본류 및 개화된 꽃 표본, 멸종위기에 처한 식물 표본을 확보 하였고 지형학적 특성에 따라 해양 생물 중 어류 박제품과 무척추 동물 표본, 해조류 표본, 대형 해양포유류인 고래 골격 진품 과 두개골 표본 등을 추가 확보하였다. 2001년 7월 26일목포자연사문화박물관 공사가 시작되었고 2004년 5월 25일 준공을 마쳤으며 그해 9월 10일 개관하였다.
목포자연사박물관은 총 12개 전시실로 구성되어 있다. 그 중 자연사관은 중앙홀, 지질관, 육상생명관 1, 육상생명관 2, 수중생태관, 지역생태관, 기증품 전시실 등 7개 전시실로 이루어져 있으며 문예역사관은 화폐전시실, 문예역사실 등 5개 전시실을 갖추고 있다.
특히 자연사관 중 중앙홀에는 국내 최대 규모의 육식공룡알 둥지 화석이 전시되어 있는데, 2009년 9월 발굴 후 2년여에 걸쳐 복원한 것이다. 또한 육식공룡 및 해양파충류, 익룡등 다양한 중생대 공룡 골격 등을 볼 수 있다.
문예역사관은 허건의 그림뿐 아니라 대한민국예술원회원인 오승우 화백이 기증한 100점의 그림들과 목포지역 출신 극작가, 예술인들이 직접 제작한 작품들을 관람할 수 있다. 또한 국가무형유산인 이매방의 무복, 남진과 조미미의 레코드판, 세계적인 플러워리스트인 방식의 작품들이 전시되어 있다.
한편 자연사관은 지질학, 고생물학, 식물학, 고고인류 문화사 등을 연구하는 전문 인력을 갖추는 한편 목포시와 주변 인근 시군의 초,중등학생들과 일반인들에게 다양한 자연과학적 지식 함양과 다양한 실험을 체험할 수 있는 교육프로그램을 운영하고 있다. 특히 매년 방학을 맞이하여 관내 청소년들 위한 “다윈자연사프로그램”, “박물관과 함께하는 과학체험 프로그램”, “문학과 지역 역사를 알고 가는 길” 등 체계적이고 효율적인 프로그램을 운영하고 있다.
또한 주변 대학과 공동으로 서남권 지역의 다양한 생물상 조사와 서남권 환경에 대한 지질 조사 등을 추진하였다. 전국 자연환경 생물상 조사를 통해 우리 지역에 서식하는 식물의 분포상과 곤충상 조사를 완료하여 그에 대한 결과를 자연환경학회지에 게재하였고 전남 서남권 지역 지질환경 조사를 공동으로 수행하여 국내 최대 규모의 육식공룡알 둥지 화석을 발굴하는 등 가시적인 성과를 올렸다.
목포자연사박물관은 분야별로 다양한 전문 인력을 갖추어 박물관 본연의 전시 및 연구뿐만 아니라 교육 프로그램등을 운영하는 등 지역민에게 문화적 서비스와 교육체험을 동시에 제공하고 있다. 이에 따라 목포자연사박물관은 전남 서남권 지역의 생물상 연구, 지질학상 연구, 문화예술적 연구와 전시 등을 수행하는 중추적 교육기관으로서의 역할에 최선을 다하고 있다.