Эти коллекции содержали большое количество материалов по зоологии. Некоторые из них сохранились в Зоологическом музее и институте до настоящего времени. Помимо покупок, Петр I уделял большое внимание собиранию коллекций в Российской Империи. Им был издан ряд указов, обязывавших местные власти доставлять в столицу различные произведения природы своего края.

Вскоре для размещения Музея был избран поступивший в казну дом опального боярина А.В. Кикина – «Кикины палаты»

В это здание, расположенное на левом берегу Невы неподалеку от Смольного (и в несколько измененном виде сохранившееся поныне), перевезли коллекции и библиотеку. В 1719 году Музей в Кикиных палатах стал доступен всем желающим. К 1725 году, по отзывам современников, он уже не уступал лучшим западноевропейским собраниям. По приказу Петра I от марта 1724 года было начато составление альбомов с рисунками наиболее замечательных экспонатов.

В 1724 году был утвержден проект создания в России Академии наук. Кунсткамеру с библиотекой было намечено передать Академии. Для её размещения был отведен участок на Васильевском острове. В распоряжение Академии был передан недостроенный дворец царицы Прасковьи (строительство которого было завершено лишь в 1734 году). Именно в нем располагался главный Конференц-зал Академии (сейчас на этом месте расположен административный корпус Зоологического института). Рядом было построено специальное здание, в котором разместились Кунсткамера, библиотека и обсерватория. В этом здании 26 ноября (по старому стилю) 1728 года состоялось открытие Музея.

В 1742 году был издан первый печатный каталог коллекций Кунсткамеры и альбом гравюр с изображениями внешнего вида здания и планами отдельных помещений. В зоологической коллекции Кунсткамеры было 2112 номеров анатомической коллекции, лягушек – 89 номеров, черепах – 38, ящериц – 292, змей – 486, рыб – 456, насекомых – 1500, ракообразных, морских ежей и звезд – более 200, млекопитающих – 212, птиц – 892 номера и 625 раковин. Всего было более 7000 номеров.

Первые коллекции серьезно пострадали в пожаре 1747 года. Уцелевшая часть собрания была временно переведена в другое здание, где она оставалась вплоть до 1766 года, пока производились реставрационные работы. Для пополнения пострадавших коллекций были сделаны многочисленные покупки за границей. Так, в 1756 году с аукциона приобретена значительная часть второго собрания А. Себы.

Зоологические коллекции Кунсткамеры в 1767 году были выделены в отдельное подразделение в рамках Кунсткамеры под управление Петра Симона Палласа – одного из знаменитейших ученых-энциклопедистов XVIII века, много сделавшего для описания фауны России. Большое значение для пополнения коллекций имели академические экспедиции второй половины XVIII в.: П. С. Палласа, И. И. Лепехина, И. П. Фалька и И. И. Георги, С. Г. Гмелина и И.А. Гюльденштедта. Эти экспедиции, положившие начало систематическому изучению естественных богатств России, в то же время служили источником пополнения коллекций первого отечественного музея.

Постепенно зоологическое собрание все больше и больше обособлялось в составе Кунсткамеры. В регламенте Академии наук 1803 года зоологическая коллекция упомянута в составе «музея ботаники, зоологии и минералогии». Наступивший в конце XVIII века период войн, охвативший и первую треть следующего столетия, тяжело отразился на пополнении и сохранении коллекций Музея. Тем не менее, рост их продолжался. Большую роль в этом сыграли крупные морские путешествия. Особенно важны кругосветные путешествия И.Ф. Крузенштерна и Ю.Ф. Лисянского, Ф.А. Головина, О.Е. Коцебу, а также знаменитая экспедиция Ф. Ф. Беллинсгаузена и М. П. Лазарева, экспедиция Ф. П. Литке, в которых принимали участие и натуралисты. Весьма важной была и сухопутная экспедиция Г.И. Лангсдорфа в Бразилию, в которой участвовал энтомолог Эдуард Менетрие.

В начале 1830-х годов, в ходе реформы Академии наук, коллекции Кунсткамеры разделили на независимые профильные музеи. На основе зоологической коллекций Кунсткамеры возник Зоологический музей, разместившийся в Музейном флигеле Академии, построенном в 1826–1831 годах по проекту архитектора И. Ф. Лукини позади Главного здания Императорской Академии наук (Университетская наб., д. 5).

Датой основания Зоологического музея считается 4 июля (по старому стилю) 1832 года, когда его директор Ф.Ф. Брандт продемонстрировал Физико-математическому отделению Академии наук экспозицию первых трех залов, составленную из уцелевших экспонатов Кунсткамеры. Большая часть выставочных коллекций Кунсткамеры к этому времени была испорчена и не годилась для новой экспозиции. Хорошо сохранились лишь остеологические материалы, спиртовые препараты, коллекции раковин и кораллов, которые и легли в основу создаваемого Зоологического музея.

Вскоре после выделения из состава Кунсткамеры, Музей стал пополняться коллекциями, поступавшими от различных экспедиций, а также путем покупки, обмена с другими учреждениями и приема пожертвований от отдельных лиц. Можно отметить путешествие А. Д. Нордмана на Кавказ, путешествие К. М. Бэра на Новую Землю и в Русскую Лапландию, девятилетнее путешествие препаратора Зоологического музея И. Г. Вознесенского по Дальнему Востоку и русским владениям в Северной Америке от Аляски до Калифорнии, путешествие А. Ф. Миддендорфа в Восточную Сибирь, экспедицию Л. И. Шренка по Амурскому краю и на Сахалин, путешествие Н. А. Северцова к Аральскому морю.

В середине XIX века собрание Зоологического музея не уступало лучшим коллекциям зарубежных музеев, а в отношении фауны Палеарктики значительно превосходило их. Если в 1832 году все коллекции размещались всего лишь в трех залах, то к 50-летнему юбилею Музея в 1882 году они занимали 32 зала, в которых было выставлено свыше 40 тысяч экспонатов, не считая фондов. Объем коллекций за полстолетия вырос примерно в 20 раз.

Конец XIX – начало XX столетия ознаменовалось активным изучением Центральной Азии. Наиболее крупными и ценными зоологическими сборами этого периода являются коллекции Н.М. Пржевальского, М.В. Певцова, В.И. Роборовского, братьев Г.Е. и М.Е. Грум-Гржимайло, Г.Н. Потанина и П.К. Козлова. Материалы, поступившие уже из первых экспедиций Пржевальского, сделали необходимым расширение площади Музея. В 1891-1893 годах Музей получил здание на Стрелке Васильевского острова (Университетская наб., д. 1), где был открыт для посетителей в 1901 году. Его коллекция была разделена на фондовую и выставочную части.

Экспозиция в новом здании состояла из трех разделов. Была вводная часть, посвященная общим явлениям жизни, большая систематическая коллекция и так называемые «биогруппы», в которых некоторые виды животных были показаны в природной обстановке.

Зоологический музей, представлявший собой в этот период не только хранилище коллекций животных, но и научно-исследовательское учреждение, в 1931 году, в ходе реформы Академии наук, был переименован в Зоологический институт. С этого времени Музеем стали называть только выставочную коллекцию института, не утратившую и поныне связь с богатейшей фондовой коллекцией. Музей до преобразования его в институт возглавляли Ф.Ф. Брандт (1831–1879), А.А.Штраух (1879–1893), Ф.Д. Плеске (1893–1896), В.В.Заленский (1897–1906), Н.В. Насонов (1906–1921), А.А. Бялыницкий-Бируля (и.о. директора с 1923, директор – с 1927 года). С 1917 по 1930 годы во главе Музея стоял Совет.

Музей и после 1930 года продолжает быть тесно связанным с Зоологическим институтом, пополняя свою экспозицию материалами экспедиций сотрудников института. В 1930-е годы экспозиция Музея претерпела серьезные изменения. Было решено первый зал отвести под общую зоологию. Из систематической коллекции в нем оставили только китообразных животных. Систематическая коллекция была поставлена в соответствии с эволюционной систематикой. Биологические группы были переставлены по зоогеографическому принципу.

Во время Великой Отечественной войны экспозиция музея оставалась на своем месте, и, в целом, серьезно не пострадала, хотя здание несколько раз подвергалось обстрелам, в нем не было света и отопления.

В дальнейшем экспозиция пополнялась как интересными материалами в систематическом разделе, так и многочисленными новыми биогруппами и диорамами. Был создан ряд биогрупп, в которых отражена морская фауна. Материалы для этих витрин поставляли многочисленные экспедиции в самые разные уголки Земного шара, в которых принимали участие сотрудники Зоологического института. В этот период Зоологический институт был включен не только в изучение фауны Палеарктики, но и в изучение тропической фауны и фауны Антарктиды. Разрослась и недавно обновлена экспозиция по Мамонтам и мамонтовой фауне.

В послевоенное время Музеем заведовали В.Б. Дубинин (1947–1954), А.И. Иванов (1954–1961), Д.В. Наумов (1961–1984), Р.Л. Потапов (1985–2006), А.Н. Тихонов (2007–2020). В настоящее время музеем заведует М.Н. Третьякова.