Будівля музею, яка спочатку призначалася для Полтавського земства, була побудована в 1903-1908 роках за проектом архітектора Василя Григоровича Кричевського (1873-1952). В архітектурі, виконаній в дусі українсько-європейського модерну, поєдналися принципи світської і церковної архітектури. Фасад і дах були прикрашені поліхромною керамікою, розписами, декоративними архітектурними деталями. Інтер’єрні розписи виконали відомі українські художники Микола Самокиш і Сергій Васильківський. Музею будівля була передана в 1920 році. Колекції і сам музей створювали видатні особистості, серед яких професор В. В. Докучаєв (1846-1903), учитель В. І. Вернадського. Саме з його ініціативи на базі природознавчої колекції і виник музей в 1891 році. Меценати К. Скаржинська і П. Бобровський пожертвували музею цінну бібліотеку, кілька десятків тисяч експонатів і колекції східного мистецтва. Зараз музей налічує понад 300 тисяч одиниць зберігання, які увійшли в історичні, археологічні, етнографічні, нумізматичні, природничі колекції. На трьох поверхах будівлі в кількох залах розміщені п’ять стаціонарних експозицій, що знайомлять відвідувача з природою, історією та етнографією краю, а також мистецтвом Стародавніх Єгипту і Греції.