La historia del Museu Martorell se remonta a 1878, cuando el naturalista Francesc Martorell i Peña legó sus colecciones de ciencias naturales y arqueología a la ciudad de Barcelona, además de una dotación económica para la construcción de un museo para alojarlo todo. El arquitecto Antoni Rovira i Trias diseñó este edificio de estilo neoclásico, que se inauguró en 1882. Con el paso de los años, el museo quedó pequeño para unas colecciones que no paraban de crecer. En 1924 el Museu Martorell se especializó en geología y las colecciones zoológicas se trasladaron al cercano Castell dels Tres Dragons, y las colecciones botánicas, a Montjuïc. El Museo de Geología cerró sus puertas al público en 2010.
El origen del Museu de Ciències Naturals de Barcelona está estrechamente ligado al Parc de la Ciutadella. Para el diseño del parque, el arquitecto Josep Fontserè se inspiró en la disposición urbana del Jardin des Plantes de París, que preveía albergar un conjunto de instalaciones destinadas a servicios culturales de carácter científico, propios de una capital moderna. Uno de los primeros edificios que se construyeron fue el Museu Martorell, que abrió sus puertas en 1882. Simultáneamente, se edificaron el Invernadero, el Umbráculo, el Parque Zoológico y otras instalaciones dedicadas a la actividad científica.