Geografisk har den arktiske forskningen i stor grad vært knyttet til Svalbard og norske arktiske havområder.

Naturvitenskap har tradisjonelt vært og er fremdeles det dominerende fagområdet innenfor polarforskningen. Det har en fremtredende plass i de fleste lands forskning, også i Norge.

Naturhistorisk museum og dets forløpere har drevet omfattende forskning på Svalbard innenfor en rekke disipliner og samlet inn materiale til museets samlinger.

Mye av materialet stammer fra de kjente norske polarekspedisjonene, inklusiv Fram-, Gjøa- og Maud-ekspedisjonene, og etter hvert også fra feltarbeid foretatt av mange av museets egne forskere.

Geologen Baltazar Mathias Keilhau fra Universitetet i Oslo var den første nordmannen som foretok naturvitenskapelige undersøkelser på Svalbard på den aller første geologiske ekspedisjonen til øygruppen i 1827. Han samlet inn viktig geologisk, paleontologisk og botanisk materiale, som fortsatt er oppbevart i Naturhistorisk museums samlinger.

Geologen Adolf Hoel var den ledende svalbardforskeren i første halvdel av 1900-tallet. Han foretok geologisk feltarbeid på Svalbard hver sommer i perioden 1907-1926 og gjennomførte en omfattende kartlegging av Svalbards geologi.

Hoel var universitetsstipendiat 1911-19 og deretter dosent i geologi ved universitetet. Ved siden av dette tok han i 1928 initiativet til opprettelsen av Norges Svalbard- og Ishavsundersøkelser og ledet denne institusjonen frem til 1945.

Olaf Holtedahl (ble professor i geologi i 1920) var den andre norske pioneeren innen arktisk geologi. Han deltok bl.a. på ekspedisjoner til Svalbard i 1909- 1911 og ledet den kjente geologiske ekspedisjonen til Novaja Semlja i 1921.

Blant pionerene på Svalbard innen paleontologien var Johan A. Kiær, Anatol Heintz og datteren Natascha Heintz.

Den arktiske aktiviteten ved museet har spesielt bidratt til utforskningen av tidlige fisk (devonfisk), ordoviciske trilobitter, radiolarier og paleogeografi, samt bryozoer og conodonter fra sen-paleozoikum.

I de siste ti årene har en stor gruppe fra museet, under ledelse av Jørn H. Hurum utført omfattende feltarbeide og innsamling av vertebratfossiler fra øvre jura på Svalbard.

På 1800-tallet var det særlig svenske forskere som foretok biologiske registreringer på Svalbard. Men i 1907 startet Hanna Diset (senere Resvoll-Holmsen) sine botaniske feltinnsamlinger på Svalbard som den første kvinnelige norske polarforsker. Hanna Resvoll-Holmsen ble senere dosent i plantegeografi ved Universitetet i Oslo.

I 1927 publiserte hun Svalbards flora, som ble standardverket om Svalbards planter i 40 år. Hun var meget tidlig ute med interesser i naturvern, og hennes botaniske undersøkelser utgjorde et viktig bakgrunnsmateriale for fredning av planter og reinsdyr på Svalbard på 1920- og 1930 tallet.

Naturhistorisk museum har fulgt opp universitetets lange tradisjoner i utforskningen av Arktis, og museet deltar i dag i en rekke naturvitenskapelige forskningsprosjekter i nordområdene.