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天津自然博物馆的前身是北疆博物院，北疆博物院（建院初期称为黄河白河博物馆）是法国耶稣会士、动物学博士Emile Licent（1876-1952），中文名桑志华，于1914年来华筹建。桑志华在中国工作了25年（1914-1938）， 对黄河流域、海河流域广大地区的人文、地理、地质、气象和动植物资源进行探察。行程约5万公里，采集古生物、动物、植物、古人类、岩矿等标本20余万件，其中甘肃庆阳、山西榆社、河北泥河湾、内蒙古萨拉乌苏四个地区动物化石的完整和丰富程度世界罕见。

1922年由法国天主教会募集资金，建设北疆博物院第一座办公楼（北楼）。1925年建设陈列厅与办公楼相接，1928年5月陈列厅建成开放。1929年建造藏品楼（南楼），1930年建成，至此北疆博物院建筑形成一座工字型建筑。北疆博物院在桑志华院长的亲自主持下，至1937年已经成为世界上赫赫有名的博物馆， 该院出版物对中国华北地区的地质生物研究产生了重要影响。

 1937年抗日战争爆发，东北、华北、华东大部分地区被日军侵占，使桑志华的采掘工作被迫中断。1938年日军侵占天津，桑志华回国，北疆博物院也基本停止了采掘与研究工作。1938年至1949年，北疆博物院处于看守阶段。

1951年2月，北疆博物院由私立津沽大学代管。1951年9月，天津市委宣传部接收北疆博物院。 1952年6月，天津市人民政府批准在北疆博物院的基础上组成天津人民科学馆筹备委员会，1952年11月，天津市人民科学馆成立。1957年6月，天津人民科学馆更名为天津市自然博物馆。1959年陈列展览和办公地址迁至河西区马场道272号（原英国跑马场的马厩）。同年，时任政务院副总理、文化教育委员会主任、中国科学院院长郭沫若先生为该馆题写了馆名。1968年8月，天津市历史博物馆、天津市艺术博物馆、天津市自然博物馆合并，组建天津市博物馆。1973年12月，恢复各博物馆建制。1974年1月，更名为天津自然博物馆。1975年在原址改建展室，1978年建成开放。

1997年天津市政府投资在原址翻建天津自然博物馆，1998年重新开放。新馆占地2万平方米，建筑面积1.2万平方米，由陈列馆、藏品库、业务用房、植物园四个功能区组成。主体建筑“海贝含珠”造型，寓意天津自然博物馆是渤海之滨的一颗明珠。