המורים החלוצים הראשונים של האוניברסיטה העברית בירושלים הניחו את היסודות לאוספי הטבע הלאומיים במחצית הראשונה של המאה ה-20.
בשנת 1920 עלה לישראל א' ורבורג, הראשון שעמד בראש המכון לחקר הטבע בירושלים, והביא עמו ספרייה בוטנית. עם הזמן החלו ורבורג ושותפיו במכון להקים את האוספים הראשונים – אוסף עשבייה וכן אוסף גאולוגי שהמכון רכש מהגאולוג הגרמני פרופ' בלנקנהורן. במכון לחקר הטבע ייסדו ה"אבות המייסדים" של מדעי הטבע בישראל – הפרופסורים אהרוני, אייג ובודנהיימר – את הבסיס לאוספים המדעיים המקומיים הראשונים, ופיתחו תפיסות חשובות ביותר של הביוגאוגרפיה של אזורנו שבעיקרן מקובלות על המדענים עד ימינו.
ישראל אהרוני החל ביצירת אוספי החי המקומי עוד ב-1902, כאשר הגיע לרחובות שבפלשתינה של ימי השלטון הטורקי ואסף בעיקר בעלי-חוליות ומעט פרוקי-רגליים. בכך פתח אהרוני עידן חדש בחקר החי של ארץ-ישראל.
בשנת 1925 ייסד אהרוני את האוסף הזואולוגי של הארגון הציוני העולמי, ובשנת 1928 הוא הצטרף לאוניברסיטה העברית שזה עתה נוסדה בירושלים והעביר אליה את אוספיו.
בשנת 1919 הגיע אוסקר תיאודור כחלוץ לפלשתינה הבריטית, ועד מהרה היה לעוזרם של אהרוני ושל האנטמולוג הנודע פ"א בקסטון, שבאותה עת שימש אנטמולוג רפואי במשרד הבריאות של השלטון הבריטי. תיאודור, שלימים נעשה לחוקר במחלקה לפרזיטולוגיה, בפקלטה למדעי הטבע, באוניברסיטה העברית בירושלים, יצר אוסף ייחודי של פרוקי-רגליים וחסרי-חוליות אחרים שנודעה להם חשיבות בתחום הרפואה והוטרינריה.
בשנות ה-20 המוקדמות של המאה ה-20 נוסדה העשבייה של המחלקה לבוטניקה של האוניברסיטה העברית.
בתחילה נכללו בה אוספים שנאספו באזור על ידי קבוצת בוטנאים בראשות א' אייג, ובהם נ' פיינברון-דותן ומ' זהרי.
מאז גדלה העשבייה מאוד באמצעות בוטנאים מקומיים, שאספו צמחים בישראל ובאזורים הסמוכים, בכל המזרח התיכון ובחלקים אחרים של העולם, וגם עסקו בחילופי פריטים עם עשביות אחרות. כמו כן נוספו לעשבייה מדי פעם בפעם פריטים שניתנו שי לאוסף.
מעט מאוחר יותר, בשנות ה-30 של המאה ה-20, לגאולוגים מ' אבנימלך ול' פיקרד נודע תפקיד מפתח בתפיסת הגאולוגיה ההיסטורית של ישראל וביצירת בסיס לאוספים גאולוגיים ופלאונטולוגיים חשובים בשנות ה-40 באוניברסיטה העברית הצעירה בירושלים.
אף על פי שהאוספים לא נשמרו במוזאון למדעי הטבע, אלא נותרו בגדר אוספים פרטיים של פרופסורים באוניברסיטה או במקרה הטוב יותר קיבלו מעמד של אוספי מחלקה, הם המשיכו לגדול כל העת.
באוסף העופות ובאוסף היונקים באוניברסיטה העברית יש הרבה פריטים חשובים שאסף אהרוני, ומאוחר יותר הרחיבו את אוסף היונקים גיאורג האז ואיתן צ'רנוב.
האוספים, שבהם תיעוד עשיר של החי והצומח באזורנו עוד משנות ה-20 של המאה ה-20, הועשרו בהדרגה בחומר חדש באמצעות משלחות שנשלחו לדרום הים האדום ב-1962 וב-1965, וכן בחומר שנדגם בשנות ה-60 של המאה ה-20 במשטים מדעיים במזרח הים התיכון והאיים שם.
מאז 1967 עד תחילת שנות ה-80 של המאה ה-20, במשך יותר מעשור, הועשרו האוספים גם בחומר מחצי האי סיני ותעלת סואץ, ומהר חרמון נאסף חומר עד ימינו אלה.
האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים הכירה באוספי הטבע של האוניברסיטה העברית (כמו גם באוספים של אוניברסיטת תל אביב ואוניברסיטת בר אילן) כאוספים לאומיים.
שימור ופיתוח אוספי הטבע הוגדר כמפעל לאומי כבר ב- 1985 על ידי האקדמיה, וניכרים בתמיכה כספית שנתית של הות"ת החל משנות האלפיים (לדו"ח)
למידע נוסף ניתן לבקר בדף אוספי הטבע הלאומיים של האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים.