自然博物館位于武夷山自然保護區三港，1987年由國家林業部和福建省林業廳共同投資興建，建筑面積1673平方米。1990年2月，開始館內的展出設計和施工，同年12月18日正式開館展出，陳列展出面積1300平方米。

武夷山自然博物館以“濃縮、再現武夷山自然保護區的自然面貌”為目標，以“森林生態系統”為軸線，采用衛星圖象、浮雕、立體全景畫等表現手法，分3個展廳展出。第一廳為自然環境廳，采用衛星圖象、浮雕、彩色燈光照片、實物標本等與圖表相結合，展示了武夷山保護區的歷史演變和地質、地貌、水文、氣象、植被等概況。第二廳為生態景觀廳，采用全景畫和立體表現手法，濃縮再現了武夷山保護區典型的中亞熱帶森林生態系統的生態景觀，選擇植物垂直帶譜明顯的武夷第一峰——黃崗山為模本，配以鳥聲和蟲鳴、蟬聲等，表現武夷山保護區春、夏、秋、冬的不同景致，使人達到身臨其境的感覺。第三廳為物種寶庫廳，該廳打破以往動植物標本陳列的老套，配之以抽象的架板，突出動植物標本的數量、質量和姿態，以高質量的琥珀標本展示。

1994年7月，在保護區15周年區慶期間，又增設了一個成果廳，展示了武夷山保護區成立15年來所取得的成就。1998年12月，申報“世遺”整治工作期間，又增設植物廳，植物廳展示了武夷山保護區的珍稀植物種類。