Здание музея, изначально предназначавшееся для Полтавского земства, было построено в 1903-1908 годах по проекту архитектора Василия Григорьевича Кричевского (1873-1952). В архитектуре, выполненной в духе украинско-европейского модерна, соединились принципы светской и церковной архитектуры. Фасад и крыша были украшены полихромной керамикой, росписями, декоративными архитектурными деталями. Интерьерные росписи выполнили известные украинские художники Николай Самокиш и Сергей Васильковский. Музею здание было передано в 1920 году. Коллекции и сам музей создавали выдающиеся личности, среди которых профессор В. В. Докучаев (1846-1903), учитель В. И. Вернадского. Именно по его инициативе на базе природоведческой коллекции и возник музей в 1891 году. Меценаты Е. Скаржинская и П. Бобровский пожертвовали музею ценную библиотеку, несколько десятков тысяч экспонатов и коллекции восточного искусства. Сейчас музей насчитывает более 300 тысяч единиц хранения, вошедших в исторические, археологические, этнографические, нумизматические, природоведческие коллекции. На трех этажах здания в нескольких залах размещены пять стационарных экспозиций, знакомящих посетителя с природой, историей и этнографией края, а также искусством Древних Египта и Греции.