Das Museum wurde 1864 vom Naturwissenschaftlichen Verein gegründet. Im Jahr 1947 bezog es das Renaissancegebäude in der Waisenhausstraße. Schwerpunkt des Museums ist der Naturraum der Region Freiberg mit den Bereichen Flora, Fauna, Lagerstätten und Einfluss des Menschen auf die Natur. Zahlreiche Tier-Präparate, außerdem Aquarien mit einheimischen Fischen und Kriechtieren vermitteln ein recht anschauliches Bild von der Fauna des Freiberger Raumes. Darunter befinden sich auch einige Raritäten der Tierwelt, beispielsweise ein präparierter Nashornvogel aus dem tropischen Afrika und eine in den 1950-er Jahren bei Freiberg aufgefundene Gämse, welche vermutlich aus dem Elbsandsteingebirge stammt.
Von besonderer Bedeutung ist die thematische Orientierung auf den "Einfluss des Freiberger Bergbaus auf die Landschaft", einschließlich der Besonderheiten der Freiberger Haldenflora und des Problemkreises "Bergmännische Wasserwirtschaft".
Im Magazinbestand des Museums befinden sich nicht nur ein Herbarium über Hüttenrauchschäden bei Pflanzen sowie umfangreiche Bestände in den Bereichen Mykologie und Libellen, sondern auch Material aus dem Nachlass der Siebenlehner Australienforscherin Amalie Dietrich.
Zudem kann das Naturkundemuseum Freiberg auf eine langjährige Tradition in verschiedenen Bereichen der Öffentlichkeitsarbeit zurückblicken. Vorträge sowie museumspädagogische Aktivitäten für Kinder (insbesondere Schulklassen) sind Bestandteil der Museumsarbeit. Der naturnahe Museumsgarten und die Aquarien bereichern die Exposition.