Il primo nucleo del museo Naturalistico lucchese si formò con lo Studio universitario, che operò a Lucca dal 1785 al 1860. La riforma degli studi operata da Maria Luisa di Borbone nel 1819 portò alla fondazione del Real Collegio e di una serie di importanti complementi agli studi universitari: un Orto Botanico, un osservatorio astronomico, un gabinetto di Fisica, un Teatro Atomico e un Museo di Storia Naturale. Quando Lucca nel 1847 entrò a far parte del Granducato perse il diritto ad uno studio universitario suo. Il patrimonio del Gabinetto però sopravvisse e nel 1856, fu trasferito nel Palazzo Lucchesini, sede attuale. Nel corso del tempo la raccolta si è arricchita, anche grazie a importanti donazioni.
Le origini della collezione di antichi strumenti scientifici, risalgono all´istituzione della cattedra di Chimica (1790) nel Pio Istituto di S. Frediano. Il nucleo più ingente di strumenti può ricondursi al 1819, sotto il governo ducale di Maria Luisa di Borbone, quando il Real Collegio venne dotato di notevoli attrezzature scientifiche e librarie. Carlo Ludovico di Borbone, duca di Lucca dal 1824 al 1847, divise la collezione tra Pisa e Firenze, lasciandone una parte a Lucca. Dal 1870 la collezione si è accresciuta con regolarità fino a raggiungere dal 1930 la sua attuale composizione.