水生生物博物馆的前身是1930年成立于南京的中央研究院自然历史博物馆。1934年自然历史博物馆更名为中央研究院动植物研究所。抗日战争期间,动植物研究所先后迁至湖南南岳、广西阳朔,最后转移到重庆北碚。抗战胜利以后,该研究所迁到上海。1950年,该研究所在上海改组为中国科学院水生生物研究所。1954年,水生生物研究所从上海迁至武汉,原中央研究院自然历史博物馆积累的大量淡水鱼类标本和资料也随之被带到武汉,其中最宝贵的是一些命名新种的模式标本。此后,标本收藏不断增加,发展为淡水鱼类标本馆。同时,水生所从事水生无脊椎动物和藻类的研究室,也分别建立了无脊椎动物、藻类等多个独立的标本室。2005年,以淡水鱼类标本馆为主体,整合其他标本收藏构成了水生生物博物馆。
目前,水生生物博物馆有库房1500平方米,收藏有40万号标本,包括我国淡水鱼类标本1000余种,30余万号;鱼类模式标本260种;产自国外34个国家和地区的鱼类标本600余种;藻类标本2万多号;以及部分水生无脊椎动物标本。本博物馆的鱼类收藏中,最具特色的是鲤形目和鲤科的标本最为完整,反映了东亚鱼类区系的特点,具有广泛的国际影响力。由于独具特色的收藏和高水平的研究,本博物馆已成为亚洲淡水鱼类多样性研究的中心。
水生生物博物馆展厅面积1000平方米,展示有白鲟、白鱀豚等灭绝物种;中华鲟、扬子鳄、长江江豚、胭脂鱼等国家重点保护野生动物;特别展示了长江鱼类和青藏高原鱼类的多样性。博物馆收藏有被誉为活化石的矛尾鱼标本。本博物馆通过图片、视频和文字等方式,展示了藻类、水生植物、水生无脊椎动物、鲸类等水生生物类群。博物馆还展示了部分鱼类和水生生物方面的最新研究成果。水生生物博物馆也肩负有科普教育的重任,设有科普课堂,不定期讲座;网上博物馆,开发有手机APP等。
博物馆的科普教育功能长期以来受到国家、科学家、湖北省和武汉市的重视,先后被命名为湖北省和武汉市的“青少年科技教育基地”、“首批科普教育基地”,(1999年)、“全国青少年科技教育基地”(1999年)