Anomenat al principi Museu Martorell de Geologia, fou inaugurat el 1882 en un edifici construït expressament al parc de la Ciutadella per Rovira i Trias, i se'n féu càrrec la Junta Autònoma de Ciències Naturals, fundada per aquest motiu. Reduït a museu de geologia, té una notable secció de mineralogia. Amb la dotació que acompanyava el llegat hom adquirí, a més, lots de teixits per a incrementar els fons museístics de la ciutat i organitzà exposicions i conferències. El 1916 hom inicià la publicació de Treballs del Museu de Ciències Naturals de Barcelona, amb cinc seccions: zoològica, botànica, geològica, mineralògica i biologicooceanogràfica. El 1924, en ser dividida la col·lecció, es va destinar exclusivament a geologia. L’any 2000 passà a formar part del Museu de Ciències Naturals, juntament amb el Museu de Zoologia de Barcelona.