В 1936 году было построено первое здание музея. Оно было деревянным. К 1940 году в музее было уже около 4,5 тысяч экспонатов.
1 февраля 1941 года пожар охватил здание музея, уничтожив все коллекции. На фундаменте прежнего здания во время войны отстроили новое здание. Коллекции были восстановлены.
Новый музей открылся для посетителей 18 июня 1944 года. Здание не отапливалось, из-за чего вход для посетителей был открыт только в летний период. За это время музей собирал около 30 тысяч посетителей.
В 1982 году музей вновь был закрыт. Новое здание открылось в 1984 году.
Естественно-научный музей Ильменского государственного заповедника им. В.И. Ленина Уральского отделения РАН относится к пяти самых крупных геолого-минералогических музеев страны. В музее шесть демонстрационных залов общей площадью 2050 метров. В них представлено около 9 тыс.экспонатов.
С 1984 года музей находится в специально построенном для него трехэтажном здании.
Первым залом, с которого начинается знакомство с музеем, является исторический зал. Здесь находятся материалы, которые относятся к истории изучения Ильмен, буквально со второй половины XVIII века.
Следующий зал: Ильменский. Здесь можно увидеть минералы и горные породы щелочных и гранитных пегматитов, коллекция ильменских минералов. Также демонстрируется геологическая схема Ильменских гор, которая выполнена на основе карты А.Н.Заварицкого. Кроме Ильменских минералов, рядом с этим залом присутствуют коллекции минералов из аналогичных комплексов: Хибинского, Левозерского и Вишневогородского массивов.
С различными ландшафтными комплексами Южного Урала можно ознакомиться с биологическом зале. Основная часть зала состоит из диорамы длиной 33 метра. На ней представлены разные виды животного и растительного мира в разные времена года. По бокам, на стенах 12 витрин и малых диорам с животными, насекомыми и птицами. Отдельно, в центре зала в небольших витринах находятся коллекции гнезд, яиц, летучих мышей, черепов хищных млекопитающих и редких видов растений.
В зале систематики расположены 1750 образцов, представляющих 740 минеральных видов. Все они расположены в витринах в обязательной кристаллохимической классификации.
Зал минералогии месторождений содержит более 700 образцов различных месторождений: осадочных, пегматитовых, метаморфических и гидротермальных. Здесь же находятся срезы пейзажной уральской яшмы, фиолетовые аметисты, минералы Изумрудных копей Урала., голубые топазы.
