L'histoire du Musée national de la nature et des sciences commence avant même que le parc d'Ueno n'entre en scène. En 1872, un musée est fondé à l'intérieur de Yushima Seido, l'ancien ensemble de sanctuaires confucéens de Tokyo. L'institution considère 1877 comme sa fondation officielle, année de création d'un musée de l'éducation. Cela en fait l'un des plus anciens musées du Japon. La suite n'a pas été linéaire. Les collections passèrent sous la tutelle de l'École normale supérieure, et pendant un temps l'activité du musée ralentit. Puis, à l'époque Taisho, l'enthousiasme pour un véritable musée des sciences grandit. En 1930, un nouveau bâtiment s'élève dans le parc d'Ueno, celui que l'on appelle aujourd'hui la Galerie du Japon. L'année suivante, l'institution prend le nom de Musée des sciences de Tokyo et devient un établissement de la ville de Tokyo. En 1949, elle passe sous administration nationale, et le nom que vous voyez aujourd'hui voit le jour. Le musée continue ensuite de s'agrandir. En 1962, il intègre l'Institut d'étude de la nature de l'arrondissement de Minato, et en 1971, il absorbe l'Institut des sciences des ressources. Plus tard, avec le développement de la cité de recherche de Tsukuba, le Jardin botanique de Tsukuba rejoint le musée en tant qu'établissement rattaché. Ces éléments ont donné au musée à peu près l'emprise qu'il a aujourd'hui.