Das Naturmuseum geht auf die naturhistorische Sammlung der Bürgerbibliothek, die heute als Stadtbibliothek bekannt ist. Die Gründung des Museums geht auf das Jahr 1660 zurück. Die damalige Bibliothek sammelte nicht nur Bücher und handschriftliche Dokumente, sondern auch Münzen, historische Objekte, Kunstwerke, Naturgegenstände und Kuriositäten aller Art. Das älteste Inventar dieser «Raritäten» stammt aus dem Jahr 1693. Einen ersten umfassenden Katalog der naturwissenschaftlichen Gegenstände erstellte 1818 der Schriftsteller und Bibliothekar Ulrich Hegner.
Ein frühes und wichtiges Objekt war das mehr als 3 Meter lange präparierte Krokodil, das der St. Galler Bartholomäus Schobinger 1664 der Bürgerbibliothek schenkte. Dieses ist noch heute im Naturmuseum ausgestellt. Weitere Gegenstände sind Kristalle, Korallen, Tier- und Menschenskelette sowie Versteinerungen.
Die Bürgerbibliothek mit den naturhistorischen Sammlungen war bis 1842 die meiste Zeit im Rathaus an der Marktgasse untergebracht. Dann erfolgte der Umzug ins neue Knabengymnasium, das heutige Kunst Museum Winterthur Reinhart am Stadtgarten, wo der Bibliothek und ihren Sammlungen grosszügige Räume zur Verfügung standen.