История просветительской деятельности по изучению природы Костромского края тесно связана с общим подъемом промышленной и общественной жизни в начале XX века. В частности экспозиция, отражающая природные богатства губернии была представлена на губернской сельскохозяйственной, кустарной и промышленной выставке с общественно-культурным отделом, открытой в дни празднования в Костроме 300-летия династии Романовых. Большой вклад в формирование будущих коллекций внесли члены Костромского научного общества по изучению местного края. Общество, возникшее в 1912 году, имело биологическую, геофизическую и этнологическую станции, геологическую лабораторию, вело активную деятельность по публикации результатов исследований. Была создана обширная сеть уездных и волостных ячеек. После Октябрьской революции 1917 года общество включило свои коллекции в собрание краеведческого музея, созданного на базе Романовского музея.
В 1926 году музей пополнился одной из уникальных коллекций, завещанной энтомологом-любителем, бывшим членом Костромского окружного суда, активным деятелем общества по изучению местного края Иваном Михайловичем Рубинским. Коллекция Рубинского насчитывает более четырех тысяч видов насекомых, обитающих в Европе, Азии, Африке, Америке, и имеет большую познавательную, образовательную и эстетическую ценность. При формировании Костромского государственного историко-архитектурного музея-заповедника в 1958 году в стенах бывшего Свято-Троицкого Ипатьевского монастыря в его составе был создан отдел природы. Основание отдела связано с именами первого директора музея — Марии Михайловны Ореховой и таксидермиста Владимира Андреевича Тяка. В построении музейных экспозиций также участвовали местные художники и охотники, Мясников Борис Иванович, Ерёмин Альберт Иванович, Фуфалдин Альберт Георгиевич, Рассыпнов Виталий Иванович. При оформлении залов музея использовали диорамный принцип построения. В начале 1960-х годов пожар уничтожил лучшие диорамы музея: «Нападение волков на лося», «Полярная сова», «Глухариный ток». В 1964—1965 годах диорамы были восстановлены. Экспозиция «Растительный и животный мир» была ранжирована по временам года. В 1965 году обновленный отдел природы стал самым посещаемым в музее-заповеднике. Но развитие на этом не прекратилось. К 1966 году была оформлена для показа знаменитая энтомологическая коллекция И. М. Рубинского. В 1969 году построена выставка «Происхождение человека». В 1970 году сформирована экспозиция по теме «Геология края» и оформлена выставка «Возникновение жизни на Земле». В 1972 году было закончено построение экспозиций по темам: «Географическая характеристика, воды, почвы, полезные ископаемые Костромской области». В связи с передачей построек Нового города Ипатьевского монастыря Костромской епархии РПЦ в 2001 году отдел природы был преобразован в самостоятельный музей природы Костромской области и экстренно переведен в отдельное здание на улице Молочная гора, в котором ранее располагались чайная общества трезвости и торговая биржа. Экспозиция была нарушена, а большая часть диорам уничтожена. В новом здании первой открылась выставка «Энтомологическая коллекция И.М.Рубинского. В 2002 году открылась выставка «Охотничьи трофеи». После была смонтирована выставка «Птицы и звери Костромской области», где было представлено видовое разнообразие животных, обитающих на территории области. Восстановление зала «Зима» началось с диорамы «Охота рысей», одну из наиболее ярких экспозиций «Нападение волков на лося» восстановили лишь в 2009 году. В 2006 году шло восстановление зала «Весна» и создание мемориального зала В.А.Тяка. В 2013 году в зале «Весна» были открыты новые диорамы, «Весенний водоём», «Пролётные птицы», «Медвежата» и другие. В 2014 году открылась выставка «Инсектарий».
