Все началось с Музея российских древностей, созданного фабрикантом-старообрядцем Петром Щукиным. В последнее десятилетие XIX века на Малой Грузинской улице архитекторы Фрейденберг и Эрихсон построили два роскошных здания в новорусском стиле.

К 1905 году к ним добавилось еще два, а сам музей превратился в «Отделение Императорского Российского Исторического музея имени Императора Александра III — Музей П. И. Щукина». К тому моменту коллекция Петра Щукина была больше фондов Исторического музея и насчитывала более 300 тыс. предметов: церковной утвари, оружия, ковров, тканей и картин. После революции фонды музея Щукина переехали в Исторический музей, а здания меняли владельцев как перчатки. В конце концов роскошные терема были превращены в общежития.

Одновременно с этим развивалась история Музея живой природы при Московском народном университете А. Л. Шанявского. После революции университет уступил свое место на Миусской площади Коммунистическому университету им. Свердлова. В 1920 году на должность завкафедрой биологии туда пригласили замечательного физиолога Бориса Завадовского. Его хлопотами под биологические коллекции было выделено два зала, а уже 24 апреля 1922 года президиум совета университета принял решение об учреждении музея. Биологический музей им. Тимирязева открылся уже 7 мая 1922 года. Завадовский сформулировал принципы его работы, которые свято соблюдаются по сей день: это не «вещевой» музей, а проблемный, это музей-лекторий, музей-лаборатория. Удивительно, но в первые же годы своего существования в хаосе послереволюционной Москвы музей организовал огромную образовательную работу. Сквер на Миусской площади был превращен в обучающую базу. Там демонстрировались примеры семи- и восьмипольного севооборота, высевались полезные лекарственные культуры и работал мичуринский уголок, где школьников обучали искусственному опылению и прививкам садовых культур.

В 1934 году по просьбе Горького музей переехал в ветшающие здания на Малой Грузинской улице. Пока терема ремонтировали и готовили экспозицию, уголок живой природы с Миусской площади переехал в парк Горького. Там демонстрировались уникальные опыты Ивана Павлова, знаменитые фистульные собаки и изолированные органы. То же самое показывали и в Сокольниках, на Красной Пресне, в Планетарии и Антропологическом музее.

Во время войны коллекции музея были эвакуированы, а в зданиях на Малой Грузинской организовали госпиталь. Музей вернулся к нормальной работе только в 1946 году, но ненадолго. С августовской сессии ВАСХНИЛ 1948 года начался разгром советской генетики. Лысенко не простил Завадовскому критику «творческого дарвинизма» и буквально уничтожил Биологический музей. Директор и многие сотрудники были уволены, а экспозиции пережили шестилетнюю реконструкцию. Множество экспонатов было уничтожено, погибли последние остатки интерьеров Щукина. Генетика вернулась в музей только в конце 1960-х годов.

Современный Биологический музей им. Тимирязева считается одним из самых красивых музеев Москвы, по популярности среди родителей и детей он занимает второе место после Дарвиновского.