A Herman Ottó Múzeum természettudományokhoz kapcsolódó gyűjteményei már a múzeum jogelődjének alapításakor, 1899-ben nagy jelentőséggel bírtak. Az első komoly őslénytani leleteink közé tartozik a miskolci vasúti rendező pályaudvarnál 1900-ban talált mamutagyar, mely jelen kiállításaink talán egyik legszembeötlőbb tárgya. 1907-ben a növény-, ásvány- és állattani gyűjtemények összevonásával megalakult a természettudományi szakosztály, majd a Természettudományi Tár.  1950-ben az addig összegyűjtött több ezer leletanyagot állami utasításra szét kellett osztani a miskolci iskolák között, ezt végrehajtva a múzeum természettudományi gyűjteménye gyakorlatilag megsemmisült.

A XX. század második felében nem létezett kifejezetten természettudományi gyűjtemény, az ide tartozó tárgyakat a régészeti gyűjtemény földtani és őslénytani leletei, valamint az ásványtár ásványai szolgáltatták.

2007 fordulópontot jelentett a múzeum életében. A világviszonylatban is különlegesnek számító bükkábrányi ősfák megtalálásával a Herman Ottó Múzeumnak újból lehetősége nyílt egy természettudományi gyűjtemény megalapozására. 2013-ban megnyílt a „Pannon-tenger Múzeum” Kiállítóépület, helyet adva a közel 7 millió éves mocsárciprusoknak, valamint megalakult a Földtörténeti és Természetrajzi Tár és Gyűjtemény is.

Az elsőként gyűjtött leletei közé tartoznak az erdőbényei kovaföldbányából származó jó megtartású növénymaradványok. A 11-12 millió éves lenyomatok között kubinyi tölgye, juhar, gyertyánszil és szárnyasdió is található.

Terepi gyűjtések során tovább gyarapodott a gyűjtemény. 2013-ban Kazár környékéről miocén korú kagylós homokkövekkel bővült, 2014-ben pedig a Miskolc környéki Csanyik-völgyből osztrigateknőkkel.

Gyűjteményünk legidősebb darabja egy mohaállat maradványa, mely a felső-karbon időszakból származik. A Nagyvisnyó és Dédestapolcsány közötti 416-os vasúti szelvényből került elő. A lelet tengeri liliom és pörgekarú maradványokkal együtt szintén gyűjtés útján került a múzeumba 2016-ban.

Gyűjteményünk egy része ajándékozásból származik. Cserpák Ferenc ajándékaként került a múzeumba egy dinoszaurusz lábnyomának pozitívja, melyet egykor a Komlosaurus carbonis hagyott hátra a tengerparti fövenyen 200 millió évvel ezelőtt. A nyomfosszília Pécs-Vasas szénbányájából származik.

2020-ban a Földtörténeti és Természetrajzi Tár összevonásra került az Ásványtárral, és Természettudományi Osztályként működik tovább.