•1951年3月 经中央宣传部文教委员会批准，中央文化部与中国科学院共同成立了中央自然博物馆筹备委员会，文化部丁西林副部长兼任主任委员，委员包括裴文中、郑作新、张春霖、胡先驌等人。
•1951年4月2日 中央自然博物馆筹备处正式成立，办公地点设在故宫博物院东华门内的文华殿、传心殿和清史馆，裴文中兼主任。由中央文化部和中国科学院共同发文向全国征集标本和展品，并从全国各地抽调业务与行政干部。当年，原文化部科普局所属的标本制作所和中央人民科学馆全部职工并入中央自然博物馆筹备处，并接收了南京博物院、中国科学院等机构的大批鸟类、珊瑚、植物和古脊椎动物化石等标本。
•1954年至1956年 先后举办了新中国的首批大型展览：“全国矿产资源展览”“全国农业资源展览”和“治理黄河展览”等。
•1955年 天桥南大街场馆建设批准立项。原计划建设分三期工程，即陈列楼、标本楼和办公楼，并确定在第一个五年计划期间建设陈列厅8000平方米。
•1956年10月 陈列楼在天桥南大街开工。
•1958年5月 陈列楼落成，由时任中国科学院院长郭沫若题写馆名。8月完成搬迁工作，并陆续完成古生物、动物等基本陈列。
•1959年1月 自然博物馆正式对外开放。
•1959年4月1日 中华人民共和国邮电部发行了纪念邮票1套2枚和首日封1枚。《人民画报》当年第4期用彩色整版向国内外作了重点介绍。
“大跃进”期间中央自然博物馆筹备处与多所文化机构一同下放到北京市，隶属北京市文化局。
•1962年 北京自然博物馆正式定名，古生物学家杨锺健教授任馆长。
•1965年 首次赴西沙群岛开展科学考察并采集大量标本。
•1974年10月 黄河象化石在北京自然博物馆完成装架后正式展出。
•1975年 划归北京市科技局。
•1977年 引进“澳大利亚特有动物（标本）展”。
•1977年 人类陈列室正式对外开放。
•1979年 古人类学家裴文中教授继任馆长。发起并筹备成立中国自然科学博物馆协会。
•1979年 创刊发行专业学术刊物《北京自然博物馆研究报告》。
•1980年 创刊发行科普期刊《大自然》。
•1982年 古生物学家周明镇教授接任馆长。编辑出版大型图册《生物史图说》。
•1984年 生态研究室在北京大兴南海子建立麋鹿生态实验中心，并在麋鹿引进工作圆满结束后独立为新的科研机构。
•1985年 划归北京市科学技术研究院。
•1986年 在新加坡举办“中国恐龙展”，其后又受邀到韩国、瑞典等多国巡展。
•1992年9月 由香港实业家田家炳先生捐资和北京市财政拨款建设的标本楼“田家炳楼”落成。
•1998年7月25日 聘任江泽慧教授（女）名誉馆长。
•2002年 在陈列楼东南侧扩建0.55万平方米新楼。
•2004年2月 北京市科学技术研究院聘任李承森研究员担任馆长。
•2008年2月 北京市科学技术研究院任命孟庆金研究员担任馆长。
•2008年4月 入选北京市首批科普教育基地、科普研发基地和科普传媒基地。
•2008年5月 入选国家文物局首批79家国家一级博物馆。
•2008年7月1日 正式对社会免费开放。
•2009年 洪友崇先生荣获第十一次李四光地质科学奖地质科技研究者奖。
•2009年 在国内率先实现自然类藏品收藏常态化。
•2009年 启动科普活动品牌化建设，持续开展“博物馆之夜”“小小讲解员”“实验乐翻天”“科学大讲堂”等。
•2009年 与俄罗斯联邦萨哈共和国联合举办“猛犸象”展览，与美国纽约自然博物馆、英国国家博物馆等联合举办“达尔文”展览。
•2010年3月 研究团队在国际著名科学期刊Science上发表文章，在世界范围内首次完整恢复一个带羽毛恐龙的羽毛颜色。
•2010年7月 接收世界轮椅基金会捐赠17件动物标本。
•2010年11月 首次承办国际博物馆协会（ICOM）第22届大会自然史专业委员会年会，主题为“生物多样性与气候变化——多元文化的探索”。
•2011年8月 研究团队在国际著名学术期刊Nature发布中华侏罗兽（新属、新种）重要发现，是目前已知最古老的真兽类哺乳动物化石记录。
•2012年5月 国家一级博物馆2010年度运行评估中北京自然博物馆在全国博物馆中排名第十一，在北京名列第三，在自然科技领域名列第一。
•2012年9月 接收世界轮椅基金会捐赠45件动物标本。
•2012年 完成基本陈列“动物——人类的朋友”“神奇的水幻世界”“神奇的非洲”改陈，对公众开放。
•2013年8月 研究团队对具有完整齿列和骨骼的多瘤齿兽类哺乳动物化石进行研究，论文在国际著名学术期刊Science上发表。
•2013年10月 “恐龙公园”改造完成，对外开放。
•2013年11月 与澳大利亚博物馆合作在澳大利亚举办“暴龙”展览。
•2013年 作为第一完成单位完成的《燕辽-热河生物群重要脊椎动物宏演化与生态多样性研究》项目荣获北京市科学技术奖一等奖，《鄂尔多斯盆地恐龙足迹和鸟类足迹研究及其古环境和古地理意义》项目荣获北京市科学技术奖三等奖。
•2014年1月 荣获“2013年度优秀全国科普教育基地”荣誉称号。
•2015年2月 完成基本陈列“无脊椎动物的繁荣”改陈，对公众开放。
•2015年 “中华侏罗兽”重要科学发现成果及标本在日本国立科学博物馆“生命大跃进”展览中展出，之后在日本多地巡展。
•2015年10月 完成基本陈列“人之由来”改陈，对公众开放。
•2015年2月 国际著名学术期刊Science同时刊发两篇对侏罗纪哺乳动物演化具有重大科学意义的成果，分别命名为攀援灵巧柱齿兽和短指挖掘柱齿兽。这两项新发现为早期哺乳动物总体上的分异演化和广泛的演化适应提供了新的化石证据。
•2016年 全球首次“大熊猫艺术巡展”——北京站在北京自然博物馆正式拉开帷幕。
•2016年 依托北京自然博物馆首次发现小盗龙羽毛结构色的研究成果，制作完成4D特效电影《黑羽精灵》。
•2017年 孟庆金馆长荣获“北京市有突出贡献的科学、技术、管理人才”称号。
•2017年 “侏罗纪滑翔哺乳形类动物的新发现”获评“2017年度中国古生物学十大进展”。
•2017年8月 研究团队分别以《侏罗纪新的滑翔哺乳动物》和《侏罗纪生态系统中哺乳动物中耳和捕食适应进化的新证据》为题，在著名学术期刊Nature发表两篇对侏罗纪哺乳动物演化具有重要科学意义的研究成果。新发现的两种最原始、有皮翼的滑翔哺乳型动物化石标本收藏在北京自然博物馆。
•2017年11月27日 举办“自然历史博物馆的未来：藏品、展览、教育与科技进步”国际研讨会。
•2018年 依托对早期哺乳动物演化有重大意义的侏罗纪哺乳动物化石研究重要发现，制作完成4D特效电影《小侏罗兽历险记》。
•2018年6月 完成基本陈列“植物世界”改陈，对公众开放。
•2018年6月 举办“中生代哺乳动物国际研讨会”及“中生代哺乳动物展”。
•2019年3月 接收北京海关移交76件罚没化石及古生物制品。
•2019年7月 完成基本陈列“古哺乳动物”改陈，对公众开放。
•2019年8月 举办国家自然博物馆建设国际学术研讨会。
•2019年 年度观众量达180万人次。
•2020年8月 作为第一单位完成的《晚中生代哺乳动物生态适应研究》项目荣获2019年度北京市科学技术奖自然科学奖二等奖。
•2020年8月 获评首批首都科普主题研学基地。
•2020年12月 与中国科学院自动化研究所签署框架合作协议。
•2021年6月 选举产生第一届中共北京自然博物馆委员会。
•2021年10月 环球健康与教育基金会捐赠动物标本101件。
•2021年11月 与台湾自然科学博物馆合作的“热河生物群特展”荣获“2020年度全国地质古生物科普十大进展”奖项。
•2021年11月 主办“国际自然历史博物馆的发展趋势及挑战”研讨会。
•2021年12月 承办2021“一带一路”科普场馆发展国际研讨会暨2021世界公众科学素质促进大会专题论坛首场分论坛。
•2021年12月 “云端自然”线上博物馆虚拟展厅向公众开放。
•2022年6月 与中国科学院地质与地球物理研究所签署战略合作框架协议。
•2022年6月 与中国科学院古脊椎动物与古人类研究所签署战略合作框架协议。
•2022年7月 接收北京海关移交219件化石及生物类制品。
•2022年7月 北京自然博物馆事业发展基金会正式成立。
•2022年9月 在第九届中国博物馆及相关产品与技术博览会期间联合承办 “融合·创新——促进博物馆高质量发展”学术研讨会。
•2022年9月 与中国科学院南京地质古生物研究所签署战略合作框架协议。
•2022年11月 原创展览“生命之美”荣获“2021年度北京市博物馆优秀展览奖”。
•2022年12月 制作完成4D特效电影《飞行的奥秘》。
•2022年12月 馆藏标本总量增至37.22万件。
•2023年1月 接收国家文物局划拨24件古生物化石及复仿制品。
•2023年1月 更名为国家自然博物馆。
•2023年5月 承办“科技创新与自然博物馆可持续发展”论坛，为首场中关村论坛博物馆类平行论坛。
•2023年6月 举办国家自然博物馆揭牌仪式，北京市科学技术研究院党组任命孟庆金研究员担任国家自然博物馆馆长。
•2023年8月 举办为期一个月的“博物馆之夜”系列科普活动。
•2023年9月 在香港科学馆合作举办“灭绝·新生”古生物展览。
•2023年11月 主办“远古·热河——中生代重要化石发现特展”。
•2023年12月 接收国家文物局划拨化石等62件。
•2023年12月 馆藏标本总量增至40.16万件。