ธรรมชาติวิทยา หรือ ประวัติศาสตร์ธรรมชาติ หมายถึงคำรวมที่ใช้เรียกสรรพสิ่งทั้งหลายที่ปัจจุบันมองว่าเป็นศาสตร์ทางวิทยาศาสตร์ที่มีความเฉพาะชัดเจน นิยามเกือบทั้งหมดรวมถึงการศึกษาสิ่งมีชีวิต (เช่น ชีววิทยา รวมทั้งพฤกษศาสตร์และสัตววิทยา) นิยามอื่นได้ขยายเนื้อหารวมไปถึง บรรพชีวินวิทยา นิเวศวิทยา ดาราศาสตร์ หรือชีวเคมี รวมทั้งธรณีวิทยาและฟิสิกส์ หรือแม้แต่อุตุนิยมวิทยา บุคคลผู้สนใจในธรรมชาติวิทยาเรียกว่า "นักธรรมชาติวิทยา"
ต้นตอของธรรมชาติวิทยาย้อนยาวไปถึงสมัยของ อริสโตเติลและนักปราชญ์โบราณคนอื่นๆ ที่ได้วิเคราะห์ค้นหาความหลากหลายของธรรมชาติในโลก นับตั้งแต่กรีกโบราณมาจนถึงยุคของคาโรลัส ลินเนียส และนักธรรมชาติวิทยาสมัยคริสต์ศตวรรษที่ 18 อีกหลายคน แนวคิดหลักที่ผูกกันไว้ก็คือ scala naturae หรือ"ห่วงโซ่อันยิ่งใหญ่แห่งการมีชีวิตอยู่" ที่จัดรวมเอาแร่ธาตุ พืช สัตว์และสิ่งมีชีวิตชั้นสูงมาเรียงเป็นเส้นยาวแห่งการเพิ่ม "ความสมบูรณ์" ธรรมชาติวิทยามาหยุดนิ่งอยู่นานในยุคกลาง โดยเฉพาะเมื่อมีความพยายามเอางานของ อริสโตเติลมาผสมกับปรัชญาคริสต์ศาสนา โดยเฉพาะ โทมัส อควินัส ซึ่งได้กลายมาเป็นรูปพื้นฐานของวิชาเทววิทยาธรรมชาติ (natural theology) ในยุคฟื้นฟูศิลปวิทยา นักวิชาการ (โดยเฉพาะแพทย์สมุนไพร) ได้หันกลับไปสู่ธรรมชาติวิทยาด้วยการสังเกตการณ์กับต้นพืชและสัตว์โดยตรงอีกครั้งหนึ่ง และหลายคนเริ่มต้นการสะสมต้นไม้แปลกๆ และสัตว์ประหลาดมากขึ้น การเพิ่มจำนวนของชนิดของสิ่งมีชีวิตต่างๆ ที่มากขึ้นจนเป็นที่รู้จักอย่างรวดเร็วเป็นเหตุให้เกิดความพยายามในการจัดหมวดหมู่อนุกรมวิธานที่ถึงจุดสูงสุดของระบบเป็นที่รู้จักกันดีว่า "ระบบลินเนียส"
ในช่วงระหว่างคริสต์ศตวรรษที่ 18 ย่างต่อเนื่องสู่ศตวรรษที่ 19 คำเรียกสาขา "ธรรมชาติวิทยา" หรือ "ประวัติศาสตร์ธรรมชาติ" ส่วนใหญ่ใช้หมายถึงบริบทพรรณนาว่าด้วยการศึกษาธรรมชาติ ซึ่งตรงข้ามกับประวัติศาสตร์ด้านรัฐศาสตร์หรือด้านศาสนา ซึ่งเป็นน้ำหนักถ่วงดุลการศึกษาเชิงวิเคราะห์ด้านธรรมชาติ นั่นคือ "ปรัชญาธรรมชาติ" ซึ่งเนื้อหาวิชาจะรวมแนวคิดด้านฟิสิกส์ ดาราศาสตร์ โบราณคดี ฯลฯ การใช้ในลักษณะกว้างๆ เช่นนี้ ก็ยังคงใช้กันอยู่ในบางสถาบัน เช่น พิพิธภัณฑ์ต่างๆ และสมาคม โดยเริ่มต้นในยุโรป วิชาชีพเฉพาะต่างๆ เช่น สรีรวิทยา พฤกษศาสตร์ สัตวศาสตร์ ธรณีวิทยา และต่อมาเกิดยังได้เกิดเป็นวิทยาเซลล์ (cytology) และคัพภวิทยา (embryology) ขึ้น
ธรรมชาติวิทยาเดิมเป็นวิชาหลักที่เปิดสอนเฉพาะในมหาวิทยาลัยโดยอาจารย์ทางวิทยาศาสตร์เท่านั้น แต่นานๆ เข้าจึงได้กระจายออกมาสู่กิจกรรมของนักสะสมสมัครเล่นมากกว่าการเป็นวิทยาศาสตร์แท้ๆ มากขึ้น โดยเฉพาะในสหราชอาณาจักรและอเมริกาที่งานในด้านนี้ขยายตัวอย่างรวดเร็วกลายเป็นงานอดิเรกเฉพาะชนิดมากขึ้น เช่นการศึกษาเรื่องนก ผีเสื้อและดอกไม้ป่า ในขณะเดียวกันนักวิทยาศาสตร์ก็ได้พยายามบ่งชี้สาขาวิชาชีววิทยาให้เด่นชัดและรวมกันให้เป็นตัวตนที่ชัดเจนขึ้น (แม้จะมีเพียงบางส่วนที่เป็นผลสำเร็จ แต่อย่างน้อยๆ ก็ได้มาถึงขั้น "การสังเคราะห์วิวัฒนาการสมัยใหม่" (modern evolutionary synthesis) แต่ถึงกระนั้น ธรรมเนียมของธรรมชาติวิทยาก็ยังคงเล่นบทบาทของชีววิทยาเมื่อครั้งคริสต์ศตวรรษ 19 และ 20 อยู่ โดยเฉพาะเกี่ยวกับด้านนิเวศวิทยา พฤติกรรมวิทยา (ethology) และ วิวัฒนาการชีววิทยา
นักสะสมสมัครเล่นหลายคนและนักประกอบการทางธรรมชาติวิทยาหลายคนมีบทบาทสำคัญในการสร้างสถาบันสะสมธรรมชาติวิทยาขนาดใหญ่ โดยเฉพาะพิพิธภัณฑ์ธรรมชาติวิทยา สถาบันสมิทโซเนียน
คำว่า "ประวัติศาสตร์ธรรมชาติ" เป็นตัวลวงทำเกิดความเข้าใจผิดในชื่อของสถาบัน เช่นพิพิธภัณฑ์ประวัติศาสตร์ธรรมชาติลอนดอน พิพิธภัณฑ์ธรรมชาติฮัมโบลด์เบอร์ลิน ฯลฯ รวมทั้งพิพิธภัณฑ์ประวัติศาสตร์ธรรมชาติอเมริกันในนครนิวยอร์ก ที่มักใช้ชื่อประกอบว่า "ประวัติศาสตร์ธรรมชาติ"
พิพิธภัณฑ์ประวัติศาสตร์ธรรมชาติซึ่งมีวิวัฒนาการมากจาก "ห้องแห่งความอยากรู้อยากเห็น" (cabinets of curiosities) ของคนสมัยก่อนที่มีผลให้เกิดสาขาวิชาและการวิจัยเฉพาะทางชีววิทยาสมัยนั้นขึ้น โดยเฉพาะในช่วงศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์เริ่มใช้การสะสมทางประวัติศาสตร์ธรรมชาติมาเป็นชิ้นตัวอย่างในการเรียนการสอนนักศึกษาชั้นสูง รวมทั้งใช้ชิ้นสิ่งของสะสมที่หายากแต่มีสะสมไว้ครบมาเป็นวัสดุวิจัยด้านสัณฐานวิทยาของตัวเองด้วย พิพิธภัณฑ์ประวัติศาสตร์ธรรมชาติจึงเจริญก้าวหน้าขยายตัวเป็นที่แพร่หลายและยอมรับกันทั่วโลก
คำว่า "ประวัติศาสตร์ธรรมชาติ" เพียงคำเดียวได้ถูกนำไปใช้เป็นชื่อของ สมาคมประวัติศาสตร์ธรรมชาติ เป็นจำนวนมากทั้งในระดับชาติ ระดับภูมิภาค และระดับท้องถิ่นที่มีเพียงการสะสมนก (ปักษีวิทยา) สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม แมลง (กีฏวิทยา) บ้างและพฤกษศาสตร์บ้าง รวมทั้งยังอาจมีส่วนที่ต้องใช้กล้องจุลทรรศน์มองและส่วนธรณีวิทยา
ตัวอย่างของสมาคมต่างๆ เหล่านี้ในสหราชอาณาจักร ได้แก่สมาคมกีฏวิทยาและประวัติศาสตร์ธรรมชาติอังกฤษ ที่ก่อตั้งเมื่อ พ.ศ. 2415 สมาคมประวัติศาสตร์ธรรมชาติเบอร์มิงแฮม สมาคมประวัติศาสตร์ธรรมชาติกลาสโกว์ สมาคมประวัติศาสตร์ธรรมชาติลอนดอน สมาคมจุลชีวะและประวัติศาสตร์ธรรมชาติแมนเชสเตอร์เป็นต้น ซึ่งก่อตั้งมาตั้งแต่ พ.ศ. 2443 ตัวกระตุ้นรุนแรงที่ทำให้เกิดการขยายตัวของสมาคมประเภทนี้เป็นอย่างมากนี้เกิดจากการที่อังกฤษมีอาณานิคมมากมายในเขตร้อน มีการค้นพบชนิดของสรรพสิ่งธรรมชาติใหม่ๆ ที่ยังไม่เป็นที่รู้จักมากมาย ข้าราชการในอาณานิคมจำนวนมากก็มีความสนใจในสิ่งแวดล้อมใหม่ๆ จึงได้จัดเก็บตัวอย่างสิ่งธรรมชาติใหม่ๆ จำนวนมหาศาลเหล่านั้นกลับไปมอบให้พิพิธภัณฑ์ต่างๆ ในประเทศของตน
