北海道大学の前身、札幌農学校は1876年（明治9年）に開校した。その翌年にはクラーク博士が『札幌農学校第1年報』において、将来の自然史博物館の基礎が着々と出来つつあることを述べている。博士が去って7年後の1884年（明治17年）に札幌農学校は開拓使より植物園とともに園内の博物館を譲り受け、ここに附属博物館が実現した。

札幌農学校開校以来130年の研究成果として現在400万点を越す学術標本が学内に所蔵され、その中には約1万3千点のタイプ標本が含まれている。

これら貴重な学術標本を良好な状態で集約管理し学内外に情報を発信するために、1966年（昭和41年）から総合博物館設置が検討されてきた。理学部本館建物を総合博物館として再利用し、延べ約9,000m²の総合博物館にする構想がまとまり、1999年（平成11年度）文部省より設置が認められた。2001年（平成13年）には、本学創基125周年事業の一環として、第1期工事分3,000m²の改修が行われて公開展示が開始され、現在も改修を進めている。

北大の教育・研究の成果を広く一般に公開する場として、また、貴重な学術標本を整理・保管し発信する場として、総合博物館の役割はますます大きなものとなっている。

なお、2007年（平成19年）には、水産科学研究院の水産資料館が、水産科学館として総合博物館の分館となった。