W XIX wieku zorganizowano wiele ekspedycji naukowych, m.in. do Brazylii i Ameryki Południowej, podczas których zbierane okazy flory, fauny i minerałów przesyłano regularnie do muzeum w Wiedniu. Okazów było tak dużo, że wkrótce zaczęło brakować miejsca w Hofburgu i rozpatrywano założenie osobnego muzeum brazylijskiego. W latach 1857–1859 miała miejsce żeglarska wyprawa dookoła świata, w której wzięli udział m.in. geolog Ferdinand von Hochstetter (1829–1884), podróżnik Karl von Scherzer (1821–1903) i zoolog Georg von Frauenfeld (1807–1873), i z której przywieziono ogromną liczbę okazów.
Nowy gmach dla rozrastających się zbiorów wzniesiono w latach 1871–81.
Architektura Architektonicznym odbiciem Muzeum Historii Naturalnej jest leżące naprzeciwko Muzeum Historii Sztuki w Wiedniu. Obydwa gmachy zostały wzniesione w stylu historycznym na zlecenie Franciszka Józefa I (1830–1916) przez Gottfrieda Sempra (1803–1879) i Carla von Hasenauera (1833–1894). Gmach muzeum znajduje się na liście zabytków. Dekoracje fasady nawiązują do sił przyrody i postępu naukowego a na kopule budynku znajduje się rzeźba boga Heliosa; na głównej klatce schodowej wisi portret Franciszka I Lotaryńskiego.