西方的natural history 與中國的博物學大致對應。中國古代從《禹貢》、《神農本草經》開始，就有著豐富的博物學實踐和連貫的博物學傳承體系。傳統中國學問雖然強調博物（博古通今），但對於西方的natural history的本意卻不盡相同。
該詞語定義和起源於拉丁語historia Natural，是指對自然的探究和記錄，而不是對歷史事件的研究，它是對自然界的系統研究和觀察，側重於描述、分類和理解植物、動物和其他自然現象。希臘語historia，意思是通過觀察獲得的調查或知識，而不是按時間順序的歷史。從這個意義上，亞里斯多德的早期著作《Historia Animalium》，一般被翻譯為《動物學》或《動物志》，就是這種方法的例證，該著作強調對生物體的詳細描述和分類。這本書在文藝復興時，從阿拉伯語翻譯為拉丁文，構成了13世紀阿爾貝圖斯·馬格努斯（Albertus Magnus，大阿爾伯特）撰寫《動物論》（De animalibus）的基礎。
《五十二病方》出土於1973年底湖南長沙馬王堆三號漢墓，是西漢時期的帛書文獻，是中國現存最古老、最完整的醫學方書，成書於西元前200年左右，記載了52類疾病的283個醫方和254種藥物，涵蓋內科、外科、婦科、兒科及五官科。另外還有《神農本草經》這類著作，顯示了我國有類似的傳統。
在亞里斯多德之後，以老普林尼的《Natural History》極負盛名。這一部古代百科全書式著作，涵蓋天文、地理、動植物學等領域，彙集473部前人文獻，第一卷是全書的前言，概略地說了書的內容和所援引的資料；第二卷敘述天文，第三至六卷講自然地理、歷史地理和民族志，第七卷講人類學和生理學。第八到十一卷，屬於動物學，第十二至十九卷，講述植物學。第二十至二十七卷，講述藥用植物。第二十八至三十二卷則為藥用動物。第三十三至三十七卷涉及礦物學、冶金學、化學工藝等方面的問題，敘述了怎樣在繪畫和雕刻中利用不同的材料，並且花了相當篇幅講藝術發展的歷史。他在書中，記述了大量的農業種植技術，以及四種葡萄壓榨機。在後七卷中，還記載了大量的化學反應過程和處方，記述了古代提煉黃金的方法。
所以說，用一般的“博物學”或“自然志”，難以描述這種書，因為它涉及到大量的人造物和技術發明。而“自然史”也因較少涉及按時間演變而受到排斥。因此，筆者提出“自然史學”的譯法。說明這一學科，與“自然哲學”相對應，並且它不僅僅是一種“史”，更是一種“學”。
大阿爾伯特和學生湯瑪斯·阿奎那，明確了基督教理性主義。他們認為，人們只要具備了經過嚴密論證的宗教知識體系，就可以重建健康的道德秩序，使得腐敗的教會得到淨化，並且能在信眾之中排斥異端。這使得亞里斯多德的古典理性，轉化為宗教理性。基督教理性主義的確立，鼓勵更多的人追求真理，追求知識，以揭示世界的本質。
理性的復興，引來了文藝復興，西歐的大翻譯運動以及印刷術的發明，使希臘羅馬古典時期的志類著作大規模流傳。老普林尼的《自然史》於1469年出版了第一個印刷版本，很快就出版了多個版本。1492年哥倫布發現美洲後，無數的新鮮事物從四面八方向歐洲彙聚過來，貴族們紛紛建立“珍奇屋”，以儲藏各種各樣的植物、動物、礦物標本，更有各類工具、木乃伊等。醫學研究也不斷尋找新的藥物物質。國王們也都建立了廣闊的植物園，以及從農業、藥學方面獲益。家產雄厚的醫生、傳教士、貴族四處旅行、探險，大量收集標本並公開展示。個人的珍奇物，逐漸發展為博物館，各國開始進行相應的資助。植物園和博物館成為植物學、動物學研究活動的主要場所。
此時的學者，紛紛稱自己為自然學者（naturalist），他們的作品，不止涉及科學，而且具有很高的藝術價值、文學價值。其插圖優美、文筆生動，許多作品都價值不菲，本身具有收藏價值。
西元前四世紀中國戰國時期魏國天文學家石申編著的《石氏星經》，其實就是天體的自然史學研究。希臘化時期，以阿基米德、托勒密等數學家強調實在精確，通過數學和幾何描述天體運動（主要是圓周運動）。約翰·拜耳採用了第穀·布拉赫的觀測資料，在1603年引入了用希臘字母標記星座內恒星的方案，他出版的《測天圖》（Uranometria）是世界上第一套覆蓋整個天球的星圖，共51張圖，命名了1564顆恒星，在托勒密48星座的基礎上又收錄了多個新星座。這標誌著自然史學進一步影響天文學。
哥白尼發表《天球運行論》後，天文學進一步從自然史學中獨立，而與數學結合越來越密切。伽利略觀測到了月球上的環形山、木星的衛星，使得星體運動全面納入到了物理學框架內，成為自然哲學的一部分。而開普勒綜合了第穀的觀測材料，提出行星橢圓軌跡的理論。這使得天文學一步踏入了自然哲學的領域，到了牛頓，完成了天體物理學的創立。
德意志醫生阿格裡柯拉，在波希米亞約阿希姆斯塔爾銀礦擔任醫生期間，因研究礦區居民肺病轉向礦山學研究，於1550年完成《礦冶全書》（De re metallica）寫作，該書共12卷，含292幅木刻插圖，系統記載採礦、選礦、冶金技術及設備，1556年出版後成為歐洲礦物學奠基著作。這是自然史學在採礦冶金業的應用。
英國貴族弗蘭西斯·培根（Francis Bacon, 1561 - 1626）以極高的熱情呼籲發展自然史學，他把自然史學提高到一切科學必不可少的地位，甚至認為“自然志”就是“自然哲學”。而這個基礎就是歸納法（induction），對應的就是哲學中的演繹法（deduction）。一開始，他提出哲學要從神學中分離出來，他認為經院哲學的缺陷在於對自然的歷史懂得很少，只是長於辯駁和爭論，卻不能產生任何為人類生活謀福利的實踐效果。
培根提出“知識就是力量”，而這個知識首先就是自然史學，培根把經驗上升為一種科學原則，並創立了新的歸納法。培根認為世界是一個廣闊的迷宮，在它的纏繞中，我們需要一些線索或線來追蹤我們通往知識和力量的道路。這條線，即是他提出的歸納方法。培根的科學思想和方法論有其歷史的局限性。他提倡歸納法和實驗科學，但卻輕視演繹推理和數學。而數學和物理，則主要是自然哲學的領域。培根希望僅僅是把觀察資料加以系統整理，正確的理論結論就會自然產生，這當然不可能。
與培根同時代的伽利略提出“實驗是檢驗真理的標準”，更把實驗提升到前所未有的調度。但是，伽利略所說的“數學是自然的語言”，這一點卻不為培根所理解。提出血液迴圈理論的御醫哈威，還曾給培根看過病，但培根也不支持血液迴圈理論（當時沒有發現毛細血管，缺乏血液在體內迴圈的證據）。雖然培根依舊影響了整個科學。培根所設想的科學，不是數理科學，而是自然史學以及實驗。培根特別強調把實驗報告列入自然史學類研究之首。
培根提出《新工具》（Novum Organum，1620）以推廣“科學歸納法”，並積極提倡自然史學，純粹自然哲學的基礎是自然史學（“The firm foundation of a purer natural philosophy are laid in natural history”）。在生命最後幾年，他身體力行寫作了《風學》（Historia Ventorum，1622）、《生死學》（Historia vitae et mortis，1623）和《濃稀學》（Historia densi et rari，1623）等。培根全力投入到自然史學的編著中，並計畫把所有的實驗整理為自然史學發表。但因為在風雪天裡實驗雪對於雞肉的冷藏作用，結果患上急症去世。
培根的遺著《Sylva Sylvarum, Or, A Natural History, In Ten Centuries.》（木林集：十個世紀以來的自然史學，Sylva Sylvarum是彙編的意思）於1627年出版，其中主要是歷史上的實驗研究。另外還有一部《新亞特蘭蒂斯》出版於1628年，後來被編入《木林集》，這篇短文描述了一個烏托邦式的科學社群：所羅門之家。培根還研究聲學，在他的遺著中拒絕了畢達哥拉斯學派的觀點（認為數學是和諧的原因）。培根試圖提出一門聲學科學，涉及研究聲音的特性，以發現和聲的本質（振動）。
近代化學開創者玻意珥，曾見證了伽利略的葬禮，後來研究醫學。在得到遺產後，他回應培根對實驗的要求，在助手羅伯特·胡克的協助下，研究過氣體物理學、氣象學、熱學、光學、電磁學、無機化學、分析化學、冶金化學、工藝、物質結構理論以及哲學、神學。其中成就突出的主要是化學。在擔任英國東印度公司董事期間，他還寫過《論寶石與鑽石的起源》。1644年，包括玻意珥在內的一批對科學感興趣的人，其中包括教授、醫生、神學家等，定期地在某一處聚會，討論一些自然科學問題。他們稱之為“無形學院”。
1660年，他們提議建立一個正式的組織，旨在實現培根的願景，即通過實驗為國家利益服務，並建立一個科學社群開展集體活動，類似於培根提出的“所羅門之家”。這就是英國皇家學會。相關的信件、會議報告和發表在學會《哲學彙刊》上的論文證明，培根提出的聲學在早期皇家學會活動中是研究焦點之一，甚至很多研究被冠以培根主義（Baconian）之名。