中國最大的自然博物館之一。在天津市河西區馬場道的西端，占地面積約2萬平方米。前身是北疆博物院，於1914 年由法國傳教士桑志華創辦。1927 年對外開放。1952年改建為天津市人民科學館，1957年正式定名天津自然博物館。
天津自然博物館館藏動、植物標本及古生物、古人類化石約38萬件。其中有200件模式標本被列為國傢一級標本保存。在古生物標本中，古脊椎動物是重點，有甘肅慶陽上新世三趾馬動物群；山西榆社三趾馬動物群至更新世世早期動物群；河北陽原泥河灣更新世早期動物群；內蒙古薩拉烏蘇河更新世晚期動物群，這4個地區動物群化石的完整和豐富是世界罕見的。它們是研究古脊椎動物的進化及分類的重要依據。如重現祖鬣狗頭骨、疊齒祖鬣狗頭骨及下頜化石標本是1920年采集的，是研究鬣狗科的進化發展及科內的分類的重要依據。在植物標本中，低等植物的菌類標本比較豐富，還存有國內比較少見的國外苔類標本。高等植物中還存有一部分法國高等植物標本。在動物標本中，無脊椎動物和昆蟲的模式標本較多。其中昆蟲半翅目標本收藏得比較集中系統，軟體動物和蜘蛛標本收藏也較為豐富。
天津自然博物館古生物陳列室
該館展出有《動物陳列》、《古生物陳列》、《植物專題陳列》、《古人類陳列》。動物陳列通過對動物的外部形態、內部結構、胚胎發育、生態等材料的比較分析，說明動物與環境相互影響的原因與根據，揭示動物從低等到高等，從簡單到復雜的發展規律。古生物陳列主要以古脊椎動物化石標本為主，配合一定的科學輔助資料，闡明生物演化的歷史過程。植物陳列以實物標本為主，同時配有照片、模型和生態佈置，說明植物由簡到繁，由水到陸，由低等到高等的發展演變過程，同時揭示植物與人類生存和發展的密切關系。古人類陳列以人類的產生和發展為主線，以各階段原始人類的生產、生活為主要內容，用已掌握的原始人類遺存及有關資料來展示人類的產生和發展過程，說明自然界的一切 (包括人類社會 )是辯證地發展的。該館經常組織小型展覽，如《蝴蝶展覽》、《優生展覽》、《養花知識展覽》、《珍禽益鳥展覽》、《環境保護展覽》、《奇異動物展覽》，到各區、縣和各省市巡回展出。基本陳列和小型展覽每年有觀眾30～40萬人次。
該館和國內外有關科研單位合作編寫出版瞭：《中國半翅目昆蟲手冊》、《西藏昆蟲》、《中國重要農業害蟲》、《雲南森林昆蟲》、《中國乳齒象類化石》、《中國三趾馬化石》、《河北植物志》、《天津植物手冊》、《天津市海岸帶和海洋資源潮間帶生物調查報告》、《中國魚類志》、《西瓦古猿撓骨在我國的首次發現》、《天津地區經濟鳥類及小型嚙齒類動物調查報告》等論文和專著。