Na zbiory Narodowego Muzeum Historii Naturalnej w Madrycie składa się ponad 6 milionów eksponatów. Wśród nich znajduje się niezwykły okaz, przywieziony tu z Argentyny na polecenie Karola III - Megatherium americanum, przedstawiciel wymarłego gatunku szczerbaka. Symbolem muzeum jest szkielet słonia afrykańskiego, który został ustawiony w holu głównym.
Początki muzeum związane są z Królewskim Gabinetem Historii Naturalnej, który powstał z inicjatywy Karola III w drugiej połowie XVIII wieku. Dziś można tu zobaczyć m.in. szkielety prehistorycznych zwierząt, modele dawno wymarłych gatunków oraz repliki dinozaurów.
W części muzeum poświęconej obszarowi Morza Śródziemnego można podziwiać ogromne koralowce - Gorgonie oraz model kałamarnicy olbrzymiej. Muzeum należy do Najwyższej Rady Badań Naukowych.