Saga Náttúrufræðistofnunar Íslands markast af stöðugri þróun, vaxandi ábyrgð og síbreytilegum áskorunum í umhverfi sem krefst þekkingar, nákvæmni og fagmennsku. Verkefnin á starfstíma hennar voru fjölbreytt og metnaðarfull og ekki er hægt að tíunda þau öll hér. Þó má sérstaklega nefna mikla framþróun á sviði kortagerðar, gagnaöflunar og gagnagrunna þar sem unnið var að því að færa gögn yfir á stafrænt form og þróa opin gagnasöfn og veflausnir.
Eitt mikilvægt verkefni stofnunarinnar var kortlagning vistgerða Íslands í mælikvarðanum 1:25.000 en verkefnið fól í sér að flokka, lýsa og skrá vistgerðir landsins og birta kortið rafrænt í kortasjá. Gögnin nýtast meðal annars við gerð náttúruverndaráætlana, mat á verndargildi svæða og skipulagsvinnu. Auk vistgerðakortsins hafa mörg önnur kortaverkefni verið gefin út í kortasjám: mikilvæg fuglasvæði á Íslandi, jarðfræðileg fyrirbæri, ofanflóð, náttúruminjaskrá, sérstök vernd vistkerfa og jarðminja, selalátur við strendur Íslands, vetrarfuglatalningar, vöktun náttúruverndarsvæða og eldri gróður- og jarðakort. Þá vann stofnunin að gerð líkans fyrir stjórnun rjúpnaveiði, þróun frjókornaeftirlits, sýnatöku vegna sveppagreininga í byggingum, auk fjölbreyttrar náttúruvöktunar.
Með nýjum náttúruverndarlögum nr. 60/2013, sem tóku gildi árið 2015, færðist aukin ábyrgð til stofnunarinnar á ýmsum sviðum náttúruverndar. Henni var meðal annars falið að annast mat á ákjósanlegri verndarstöðu vistgerða og tegunda; hafa umsjón með náttúruminjaskrá, þar með talið skráningu náttúruminja og mat á verndargildi þeirra og verndarþörf, og gera tillögur um friðlýsingar; bera ábyrgð á heildstæðri vöktun lykilþátta íslenskrar náttúru; halda skrá og gera yfirlitskort yfir jarðmyndanir, vistkerfi og önnur náttúrufyrirbæri sem njóta sérstakrar verndar; og vinna að verndun jarðminja. Til viðbótar þessu fékk stofnunin aukið umsagnarhlutverk við mat á framkvæmdum. Lögin undirstrikuðu mikilvægi samræmdrar skráningar, miðlunar upplýsinga og skipulegrar uppbyggingar verndarsvæða á vísindalegum grunni.
Á löngum starfstíma átti stofnunin í virku samstarfi við fjölda innlendra og erlendra aðila, þar á meðal háskóla, rannsóknastofnanir, sveitarfélög og áhugafólk um náttúruvísindi. Þá tók hún þátt í alþjóðlegu samstarfi, meðal annars á sviði líffræðilegrar fjölbreytni, loftslagsvöktunar, vöktunar framandi tegunda og náttúruverndar.
Við sameiningu Náttúrufræðistofnunar Íslands, Landmælinga Íslands og Náttúrurannsóknastöðvarinnar við Mývatn störfuðu um 50 starfsmenn hjá stofnuninni.
Á meðan Náttúrugripasafnið var rekið af Hinu íslenska náttúrufræðifélagi voru umsjónarmenn safnsins: Benedikt Gröndal Sveinbjarnarson (1889–1900), Helgi Pjeturss (1900–1905), Bjarni Sæmundsson (1905–1940) og Finnur Guðmundsson (1940–1947). Á árunum 1947–1992 skiptu forstöðumenn deilda með sér forstöðumannsstöðu stofnunarinnar: Finnur Guðmundsson, Sigurður Þórarinsson, Eyþór Einarsson, Sveinn Jakobsson og Ævar Petersen.
Forstjórastaða var lögfest árið 1992 og tók Jón Gunnar Ottósson við starfi forstjóra við gildistöku laganna árið 1994. Ævar Petersen gegndi stöðu forstöðumanns á Reykjavíkursetri frá 1994 til 2005 en á Akureyrarsetri var það Hörður Kristinsson sem hafði forstöðu á árunum 1994 til 1999 og Kristinn J. Albertsson frá 1999 til 2005. Eftir að setrin voru lögð niður árið 2005 varð Kristinn J. staðarhaldari starfsstöðvarinnar á Akureyri. Jón Gunnar stýrði stofnuninni til loka árs 2020 þegar hann lét af störfum vegna aldurs. Þorkell Lindberg Þórarinsson gegndi stöðu forstjóra árið 2021 og frá árinu 2022 og fram að sameiningu árið 2024 var Eydís Líndal Finnbogadóttir forstjóri.